| 题名 | 硅基高迁移率III-V族半导体材料与晶体管研究 |
| 答辩日期 | 2014 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 王圩 |
| 关键词 | III-V族半导体 硅基 MOCVD 场效应晶体管 Ge表面 |
| 学位专业 | 博士 ; 微电子学与固体电子学 |
| 中文摘要 | 随着集成电路技术发展到22纳米技术节点及以下时，硅集成电路技术在速度、功耗、集成度、可靠性等方面将受到一系列基本物理问题和工艺技术的限制，并且昂贵的生产线建设和制造成本使集成电路产业面临巨大的投资风险，传统的硅CMOS技术采用“缩小尺寸”来实现更小、更快、更廉价的逻辑与存储器件的发展模式已经难以持续。因此，ITRS明确指出，“后22纳米”CMOS技术将采用全新的材料、器件结构和集成技术，集成电路技术将在“后22纳米”时代面临重大技术跨越及转型。鉴于高迁移率CMOS技术的重大应用前景，采用高迁移率Ge与III-V族半导体材料替代应变硅（锗）沟道实现高性能CMOS的研究已经发展成为近期微电子领域的研究重点。 本论文以Si基III-V族化合物半导体材料的直接生长、Ge作为过渡层进行GaAs/Si的外延生长和高深宽比限制技术三个方法为出发点，采用MOCVD技术研究Si衬底上生长无反相畴的GaAs，优化生长参数，克服Ge-GaAs界面的反相无序现象。研究GaAs过渡层消除因晶格失配、反相畴等产生的各种缺陷，研究生长大应变InGaAs沟道材料。本论文通过Ge过渡层、低温GaAs缓冲层以及GaAs表面处理实现了高质量、平整表面的Si基GaAs层，并且在此基础上实现了Si基高迁移率InGaAs沟道nMOSFET原型器件；同时，在Ge到GaAs的过渡方面，利用LEED验证了应用于III-V族外延的Ge/Si衬底表面为Ge(1 1 19)-(1×2)重构表面，并通过第一性原理分析了该表面存在的三种台阶形式，验证了DB台阶形式能量最低。围绕以上几点，本文的主要工作包括以下几点： 1、利用LEED研究了不同条件下Si基Ge表面的原子排列，验证了斜切角的Ge/Si的表面为Ge(1 1 19)-(1×2)重构表面。对于该台阶化的锗表面，二聚体方向平行于台阶的重构形式（DB）占多数，能量最低。 2、采用LT-GaAs缓冲层实现了Si基GaAs的直接外延，HRXRD半宽（ω-2θ）可以到150 arcsec； LT-GaAs的生长温度和厚度需要合理控制，来实现GaAs层质量的提升；探索了应变超晶格对位错的影响，它可以改变位错的延伸方向，使其不发展为穿透位错。 3、通过Ge基GaAs外延优化，研究了Ge表面获得高质量GaAs层的外延条件。LT-GaAs层的生长条件控制是获得高质量GaAs顶层的关键：LT-GaAs的厚度在10 nm ~20 nm时可以获得较窄的GaAs层HRXRD的半宽（ω-2θ，20 arcsec；ω-RC，42 arcsec），顶层GaAs的缺陷密度可以达到4.0e4 cm^-2；LT-GaAs的生长温度需要控制在360 oC及以下来抑制凹坑形式的APBs。 4、以GaAs/Ge外延为基础，获得高质量的GaAs/Ge/Si体系，GaAs顶层的HRXRD的半宽较窄（ω-2θ，40 arcsec；ω-RC，140 arcsec），顶层GaAs的缺陷密度可以达到2.3e5 cm^-2；通过表面处理，获得了表面粗糙度小于0.6 nm的二次外延硅基砷化镓材料。 5、比较了GaAs基、Ge基、Ge/Si基GaAs外延层的低温光谱特性，Ge基和Ge/Si基GaAs材料由于张应变使得光致发光峰发生漂移以及轻重空穴带的分裂。Ge基和Ge/Si基GaAs层的强度和GaAs同质外延层可比拟，半宽与后者相差几个meV。 6、选区外延方面，初步探索了GaAs/Si的ART外延和GaAs/Ge的大面积选区外延。ART方案可以限制延外延方向的位错，最终实现高质量的顶层GaAs材料；GaAs/Ge的大面积选区外延获得的GaAs顶层穿透位错较高，不适合进行器件的制备。 7、通过其他课题组合作，首次获得以锗作为缓冲层的硅基InGaAs沟道nMOSFET原型器件，源漏电流达到30 mA/mm，表面粗糙度为0.78 nm。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/11312]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 硅基高迁移率III-V族半导体材料与晶体管研究[D]. 中国科学院研究生院. 2014. |
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