Pt-HfO2堆疊結(jié)構(gòu)及MoS2溝道功函數(shù)的第一性原理研究.pdf

1、功函數(shù)是設(shè)計(jì)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)的重要指標(biāo)之一。對于MOSFETs，要求n型和p型器件柵極材料的功函數(shù)分別對齊于襯底硅的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂。目前的柵極堆疊結(jié)構(gòu)尚不能很好地滿足這要求，其主要原因在于能帶匹配和功函數(shù)調(diào)控方面存在困難。新型二維材料MoS2具有良好的電學(xué)性能，可用作薄膜晶體管溝道材料，有望克服傳統(tǒng)反型層溝道日益嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)和柵極漏電流問題。但MoS2通常只能用于n型晶體管，如何設(shè)計(jì)p型晶體管則需要理解

2、其自身的功函數(shù)特性。本文采用第一性原理方法，選取典型的金屬柵/高k柵極堆疊結(jié)構(gòu) Pt/HfO2和 MoS2溝道作為研究對象，探索非金屬熱處理氣氛元素氮對 Pt/HfO2界面有效功函數(shù)的調(diào)控作用，并研究了 MoS2溝道能帶結(jié)構(gòu)與功函數(shù)隨自身厚度變化規(guī)律，及其與高 k柵介質(zhì)的異質(zhì)結(jié)界面的接觸類型和勢壘高度。主要內(nèi)容如下：
　　(1)首先通過第一性原理計(jì)算的方法研究了退火氣氛元素氮對 Pt/HfO2界面有效功函數(shù)（或者功函數(shù)改變量?Φ）

3、的影響。根據(jù)形成能的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氮原子傾向于擴(kuò)散到界面的HfO2一側(cè)，引起體系總能量的降低。隨后研究了不同摻雜位置與不同摻雜濃度條件下，氮原子對界面功函數(shù)的摻雜效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)：摻雜原子層越靠近界面，功函數(shù)的調(diào)控效果越明顯，有效功函數(shù)的增加幅度越大，隨著原子摻雜位置逐漸遠(yuǎn)離界面，功函數(shù)改變量?Φ隨濃度的改變趨勢變得平緩。另外，對于同一原子摻雜層，隨著摻雜濃度逐漸提高，功函數(shù)改變量?Φ隨濃度的變化趨勢同樣會(huì)逐漸平緩。最后，通過對摻雜前后以

4、及不同摻雜濃度的界面電荷分布情況進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)：氮原子的加入可以改變界面整體的電負(fù)性，使得界面兩側(cè)電負(fù)性差異減小，造成界面電荷轉(zhuǎn)移量減小，結(jié)果使界面處的附加偶極矩(Δμ)減小，最終達(dá)到界面有效功函數(shù)的調(diào)控效果。
　　(2)我們構(gòu)建了不同厚度（層數(shù)）與層間距離的MoS2原子層模型及其與HfO2接觸的界面模型結(jié)構(gòu)，通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算并分析發(fā)現(xiàn)：MoS2的能帶結(jié)構(gòu)和真空功函數(shù)與MoS2材料自身原子層厚度密切相關(guān)，即從單層結(jié)構(gòu)堆