微電子所鍺基MOS器件研究取得新進展

2020-12-08 中國科學院

日前，中國科學院微電子研究所在鍺基MOS器件的研究上獲得顯著進展。

鍺(Ge)材料具有優異的電子和空穴遷移率，是超高速、低功耗MOS器件的理想溝道材料。對於高性能的MOS器件而言，良好的界面對於提升MOS器件的遷移率非常重要，由於high-k/Ge的界面穩定性較差，在界面處存在的大量的缺陷形成載流子的散射中心，阻礙了高遷移率的獲得，進而嚴重影響器件的最終性能。

針對這個核心問題，微電子所微波器件與集成電路研究室（四室）劉洪剛研究員帶領的研究團隊，通過對Ge表面進行化學鈍化處理，然後進行ALD-Al2O3的沉積，獲得了具有較低缺陷密度的界面。基於此方法，分別在Ge(100), Ge(110)和Ge(111)襯底上製造了Ge-pMOSFET，其空穴遷移率得到大幅度的提升 (圖1)。特別是在Ge(111)襯底上，通過化學鈍化，成功使得峰值遷移率達到660 cm2V-1s-1，該遷移率為體矽遷移率的3.5倍，達到了世界先進水平。

此外，該團隊與日本東京大學鳥海研究小組合作，系統地研究了high-k/Ge界面的反應機理。通過XPS表徵的手法，首次闡明了GeO歧化反應(2GeO→GeO2+Ge)以及GeO2/Ge界面處氧化還原反應(GeO2+Ge→2GeO)的反應機理，成功建立了Ge及其氧化物體系的反應動力學模型（圖3）。相關成果發表在2012年8月的《應用物理快報》雜誌上(Applied Physics Letters, 101, 061907 (2012))。

該研究團隊在鍺(Ge)基 MOS器件得理論和應用研究方面已取得一系列科研成果，其科研文章發表在Applied Physics Letters、《物理學報》、SSDM、ECS、ICSICT等期刊和學術會議上，已申請專利10餘項，為進一步開展高遷移率低功耗器件及其集成的研究奠定了良好的工作基礎。

相關代表論文：

1. S. K. Wang, H.-G. Liu, and A. Toriumi, Kinetic Study of GeO Disproportionation into GeO2/Ge System Using X-ray Photoelectron Spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 101, 061907 (2012).

2. B. Q. Xue, H. D. Chang, B. Sun, S. K. Wang, and H. G. Liu, The Impact of HCl Precleaning and Sulfur Passivation on the Al2O3/Ge Interface in Ge Metal-Oxide-Semiconductor Capacitors, Chin. Phys. Lett. 29, 046801 (2012).

3. S. K. Wang, B. Q. Xue, H. L. Liang, Z. X. Mei, Y. Li, W. Zhao, B. Sun, X. L. Du, H. G. Liu, Growth of Epitaxial Beryllium Oxide on Ge (111) by Molecular Beam Epitaxy, Accepted by Ext. Abst. Int. conf. on Solid State Devices and Materials (SSDM 2012), (Sep 2012, Tokyo).

圖1 鹽酸鈍化Ge(100), Ge(111), Ge(110)製備的PMOSFET器件的有效遷移率與襯底有效載流子濃度的關係

圖2 HCl處理的Ge(111)襯底的MOSFET的I-V曲線

圖3 GeO歧化反應以及GeO2/Ge界面處氧化還原反應的反應動力學模型

相關焦點

  • 微電子所在新型矽基環柵納米線MOS器件研究中取得進展
    近日，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心在面向5納米以下技術代的新型矽基環柵納米線（Gate-all-around silicon nanowire，GAA SiNW）MOS器件的結構和製造方法研究中取得新進展。　　5納米以下集成電路技術中現有的FinFET器件結構面臨諸多挑戰。
  • 中科院微電子所完成矽基30Gb/s鍺探測器和MZI調製器流片
    3/9/2017,近日，微電子所集成電路先導工藝研發中心閆江研究員團隊在矽光子平臺開發方面取得重要進展，完成矽基波導集成的鍺探測器（圖1）和矽基調製器（圖2）的流片並取得優良結果。　　矽光子技術是集成電路後摩爾時代的發展方向之一，旨在利用基於CMOS工藝的大規模集成電路技術在矽基襯底上進行光子器件和晶片的開發，最終實現光電單片集成。
  • 矽基光電子與微電子單片集成研究進展
    介紹了國內外矽基光電子器件與集成晶片的研究進展，重點介紹了本課題組在矽基光電子與微電子集成方向的研究進展，包括矽基雷射器、矽基光調製器、矽基發光器件與控制電路單片集成、矽基光電探測器與接收電路單片集成、矽基微環濾波器與溫控電路單片集成、單片集成矽光收發晶片等。
  • 微電子所在新型FinFET器件工藝研究中取得突破
    近日，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心在下一代新型FinFET邏輯器件工藝研究中取得新進展。　　隨著主流FinFET器件工藝的持續微縮，其在柵控與性能提升上面臨越來越大的技術挑戰。
  • 「半導光電」 矽基光電子與微電子單片集成研究進展
    介紹了國內外矽基光電子器件與集成晶片的研究進展，重點介紹了本課題組在矽基光電子與微電子集成方向的研究進展，包括矽基雷射器、矽基光調製器、矽基發光器件與控制電路單片集成、矽基光電探測器與接收電路單片集成、矽基微環濾波器與溫控電路單片集成、單片集成矽光收發晶片等。
  • 微電子所在阻變存儲器的傳輸機制研究中取得進展
    日前，中國科學院微電子研究所納米加工與新器件集成技術研究室在阻變存儲器（RRAM）的傳輸機制研究中取得新進展。　　RRAM是重要的下一代新型存儲器，具有結構簡單、高速、低功耗和易於3D集成等優點。如何精確的測試導電通路內部的載流子傳輸機制是目前RRAM器件研究中亟待解決的重要問題之一。　　微電子所劉明研究員領導的課題組在RRAM的阻變機理研究方面取得了一系列進展。繼用實驗手段直接觀測到RRAM器件中導電通路的動態生長過程（Adv. Mater.
  • 微電子所憶阻器基感知計算研究獲進展
    近日，中國科學院院士、中科院微電子研究所微電子重點實驗室研究員劉明團隊，提出基於憶阻器構建具備習慣化特性的人工感受神經系統的實現方案，並利用習慣化這一生物學習規則構建出可應用於機器人自主巡航避障的習慣化脈衝神經網絡。研究團隊基於Mott憶阻器和傳感器構建感受神經元，該神經元能夠感知外界的模擬信號並轉化成實時的動態脈衝信號，實現對外界信號進行感知並傳輸的基本功能。
  • 中科院微電子所等在SERS液滴生化傳感器研究中取得進展
    近日，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心研究員陳大鵬課題組與中北大學教授熊繼軍課題組合作，在表面增強拉曼（SERS）生化檢測研究中取得階段性進展。陳大鵬課題組提出一種開放式SERS液滴傳感器，解決了傳統基底型SERS器件所需的複雜製備工藝問題，利用燭灰納米鏈結構的多孔易斷性，以滾動方式在基底形成具有豐富三維「熱點」的SERS活性液滴，從而增強液滴的拉曼檢測性能。液滴提供的液相環境能夠保持生物分子的活性，提高生物大分子（如蛋白質、DNA）等與「熱點」有效結合。
  • 微電子所等在器件物理研究中獲進展
    傳統的三維半導體材料表面存在大量的懸掛鍵，可通過捕獲和散射等方式影響和限制自由載流子的運動，因此，表面態的設計、製造和優化是提高三維半導體器件性能的關鍵因素。類似於三維半導體材料的表面態，單層二維材料（如二硫化鉬和石墨烯）在邊界原子的終止和重建可以產生邊界態，這使二維材料產生較多獨特的現象，並得到廣泛應用。
  • 進展 | 晶圓級矽基鍺量子線的自組裝定位生長
    鍺/矽量子線具有高空穴遷移率、低超精細相互作用、強自旋-軌道相互作用以及與矽兼容等優點，成為實現矽基高性能自旋甚至拓撲量子計算的材料系統。儘管非面內生長的量子線在新奇物性探索方面取得了很多重要成果，但缺少面內按需定位生長量子線是阻礙量子器件精確尋址和大規模擴展集成的瓶頸。
  • 進展|晶圓級矽基鍺量子線的自組裝定位生長
    鍺/矽量子線具有高空穴遷移率、低超精細相互作用、強自旋-軌道相互作用以及與矽兼容等優點，成為實現矽基高性能自旋甚至拓撲量子計算的材料系統。儘管非面內生長的量子線在新奇物性探索方面取得了很多重要成果，但缺少面內按需定位生長量子線是阻礙量子器件精確尋址和大規模擴展集成的瓶頸。
  • 清華微電子所錢鶴、吳華強團隊合作發表新型類腦器件研究長篇綜述...
    清華微電子所錢鶴、吳華強團隊合作發表新型類腦器件研究長篇綜述文章清華新聞網10月9日電 9月24日，清華大學微電子所錢鶴、吳華強教授團隊與合作者在國際材料與器件領域知名學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上在線發表長篇綜述文章《用新型類腦器件連接生物神經網絡與人工神經網絡：原理，進展與挑戰》（Bridging Biological
  • 化學氣相沉積鍺銻碲化物相變存儲器的商業化取得重大進展
    方面取得突破性進展。兩家企業正在合作開發的項目獲得重大進步，該化學氣相沉積生產的基於鍺銻碲化物的相變存儲器(PCM)不僅能夠實現按比例縮小，而且是一種具有成本競爭力的存儲器技術。由於具有獨特的性能，相變存儲器(PCM)是存儲器體系中的新生代產品，且是NOR型快閃記憶體的替代性產品;PCM還能擠佔相當大部分先進技術節點的DRAM的市場。
  • 微電子所在器件物理領域取得重要進展
    傳統的三維半導體材料表面存在大量的懸掛鍵，可通過捕獲和散射等方式影響和限制自由載流子的運動，因此表面態的設計、製造和優化是提高三維半導體器件性能的關鍵因素
  • 微納電子系任天令教授團隊在鈣鈦礦光電探測領域取得重要進展
    微納電子系任天令教授團隊在鈣鈦礦光電探測領域取得重要進展清華新聞網2月15日電 近日，微納電子系任天令教授團隊在《美國化學學會·納米》（ACS Nano）上發表了一篇題為「矽晶圓集成的單晶鈣鈦礦超快光電探測器」（Ultrafast Photodetector by Integrating Perovskite Directly on Silicon
  • 集成電路用納電子器件模型研究取得最新進展
    北京大學教授何進博士率領的微電子學研究院納太器件和電路研究組，在教育部留學回國人員科研啟動基金和國家自然科學基金支持下，最近在CMOS集成電路用納器件模型領域取得重要突破，成果在國際電子電氣工程師協會相關領域最權威的學術期刊
  • 先進熱電材料與器件設計的研究進展
    綜述從熱電轉換基本原理出發，總結了近年來高性能熱電材料與器件設計的最新研究進展，包括不斷完善的熱電性能優化機制、先進的熱電材料與器件製造工藝，能帶和結構工程的廣泛應用、多維熱電材料的應用前景及探索，以及多元化的熱電器件設計思路。2.
  • 能發光的矽鍺合金
    如今，矽基光電子學的幾乎所有光電子器件都已被研製出來，唯有高效光源還沒有一個很好的解決方案，它也因此成為了光電集成領域的必爭之地。 最近，荷蘭埃因霍芬理工大學的科研團隊開發了一種能發光的矽鍺合金，研究成果發表在《自然》上。這種全新的材料可以為矽基光源開闢一條新的出路。而目前，團隊正在用它創造一款能夠集成到現有晶片中的矽基雷射器。
  • 微電子所在新型存儲器件、模型及類腦計算研究中取得進展
    近日，2019國際電子器件大會（IEDM）在美國舊金山召開。會上，中國科學院微電子研究所劉明團隊展示了新型存儲器件（選通管、可編程二極體）、負電容電晶體緊縮模型、類腦神經元器件電路的最新研究成果。　　在存儲器件方面，劉明團隊提出了一種基於HZO鐵電薄膜極性反轉調製的電場可編程二極體及1T2D結構的電壓輸出存儲單元（圖1）。
  • 答案就在新型矽鍺合金裡
    如今，矽基光電子學的幾乎所有光電子器件都已被研製出來，唯有高效光源還沒有一個很好的解決方案，它也因此成為了光電集成領域的必爭之地。最近，荷蘭埃因霍芬理工大學的科研團隊開發了一種能發光的矽鍺合金，研究成果發表在《自然》上。這種全新的材料可以為矽基光源開闢一條新的出路。