Pt-HfO2堆疊結構及MoS2溝道功函數(shù)的第一性原理研究.pdf

1、功函數(shù)是設計金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETs)的重要指標之一。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帶底和價帶頂。目前的柵極堆疊結構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)調控方面存在困難。新型二維材料MoS2具有良好的電學性能，可用作薄膜晶體管溝道材料，有望克服傳統(tǒng)反型層溝道日益嚴重的短溝道效應和柵極漏電流問題。但MoS2通常只能用于n型晶體管，如何設計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柵極堆疊結構 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)的調控作用，并研究了 MoS2溝道能帶結構與功函數(shù)隨自身厚度變化規(guī)律，及其與高 k柵介質的異質結界面的接觸類型和勢壘高度。主要內容如下：
　　(1)首先通過第一性原理計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)形成能的計算結果，發(fā)現(xiàn)氮原子傾向于擴散到界面的HfO2一側，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。我們發(fā)現(xiàn)：摻雜原子層越靠近界面，功函數(shù)的調控效果越明顯，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性，使得界面兩側電負性差異減小，造成界面電荷轉移量減小，結果使界面處的附加偶極矩(Δμ)減小，最終達到界面有效功函數(shù)的調控效果。
　　(2)我們構建了不同厚度（層數(shù)）與層間距離的MoS2原子層模型及其與HfO2接觸的界面模型結構，通過對其進行結構優(yōu)化，計算并分析發(fā)現(xiàn)：MoS2的能帶結構和真空功函數(shù)與MoS2材料自身原子層厚度密切相關，即從單層結構堆