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1、研究方向：薄膜材料及器件制备本方向立足于微电子产业，以该产业中的沟道薄膜材料和电介质薄膜材料为主要研究对象，研究材料的制备、性能优化工艺及应用技术，主要研究内容如下：1)沟道薄膜的低温制备。研究沟道薄膜材料的带隙、缺陷、子带态密度的分布，施主与受主的补偿对载流子浓度及 Hall 迁移率的影响。研究生长条件(温度、气氛、压力、溅射功率)对薄膜化学剂量的影响，以及化学剂量对薄膜的表面形貌、物相( 晶相) 、晶粒尺寸、Hall 迁移率、电阻率、载流子浓度的影响，了解薄膜淀积的动力学及化学计量学机理，通过生长条件及淀积后快速热退火条件的优化，在低温条件下分别制备高性能的沟道薄膜材料。2) 电介质性能研
2、究及制备。研究双电层（EDL）的绝缘和失效机理，建立电容和漏电流模型，确定最佳的介质厚度和离子、电子浓度，以提高电容密度，并增强电介质的高场可靠性。研究界面层原子扩散的抑制作用，最大程度抑制低 界面层的生长，降低栅漏电。从而制备高电容密度、高可靠性、低漏电流的电介质薄膜。3) 界面特性研究。研究沟道/电介质界面特性，确定界面态及陷阱态密度的分布，分析界面散射及纵向电场引起场效应迁移率退化的物理机制，建立场效应迁移率模型。制备叠层高 电介质，在增加电容密度的同时，改善沟道/电介质界面特性，提高器件场效应迁移率，增强器件的驱动性能。4)薄膜器件制备及性能分析。在上述基础上，研制叠层电介质 MOS
3、电容器件及薄膜晶体管，对器件的电学特性、可靠性进行全面评估，通过建立器件性能与沟道薄膜、电介质之间的有机联系。从而制备高性能的薄膜沟道器件。目的和意义：从经济、社会发展对半导体薄膜、电介质薄膜材料及其器件的重大需求出发， 结合国际上氧化物半导体及高 栅介质研究的主要发展趋势，依托我们的既有工作基础和优势，系统开展 Hf、In 掺杂的 ZnO 薄膜及高电容密度、低漏电的电介质薄膜材料结构设计、材料生长及基于器件功能材料表征的新结构、新方法或新途径的研究。研究失配体系的材料界面特性和缺陷行为，有效地改善材料的性能，建立材料微观结构和器件关键性能参数之间的动态联系，形成我国与国际水平同步、具有鲜明特
4、色和自主知识产权的高性能沟道薄膜和电介质薄膜制备技术。通过对非平衡条件下氧化物半导体的外延生长动力学与缺陷控制等关键科学问题的深入探索，攻克相关的材料制备和器件研制关键技术，建立相关的理论和原始技术创新体系，培育和凝聚一支具有国际水平的研究队伍，为氧化物半导体及高 栅介质在薄膜晶体管、存储器、电容器件等方面的重大应用奠定科学基础，为自主发展我国的薄膜材料科 学 和 技术，为促进相关高技 术产业的培育和发展做出贡献。本项目的实施将为满足我国大面积平板显示器件的发展和中长期需求奠定科学技术基础和创新团队基础。预期目标：通过对半导体薄膜的合理掺杂及淀积后退火等工艺手段，制备高性能的薄膜材料，以适应现
5、代光电子产业对薄膜器件的需求。1）ZnO 掺杂，制备高迁移率、高稳定性的沟道级薄膜材料，电子迁移率达到 100 cm2 /V s。2）高可靠性电介质薄膜材料，电容密度达到F/ cm2，漏电流低于 10-6 A/ cm2。3）薄膜晶体管的饱和迁移率达到 5 cm2 /V s，电流开关比 106 以上，亚阈栅压摆幅低于 200 mV/dec。最新进展，发展趋势电介质材料目前最常用的电介质是 SiO2 薄膜，漏电流小，击穿场强高，缺陷密度低，Si/SiO2 系统具有近乎完美的界面特性，但 SiO2 介电常数较低( 3.9)，难以提供足够的电容密度。微孔 SiO2 固态电解质，利用电子绝缘，离子导电，
6、形成的双电层介质(electric double layer, EDL)可提供巨大的电容密度(4 F/cm 2)；而且，电介质的物理厚度在m 级，漏电在 1012 A 数量级，是目前最新具潜力的电介质材料。但 EDL 的失效机理还不清楚，而且不耐高压，因此通过优化结构设计，以提高其可靠性。薄膜沟道材料国内对薄膜材料及器件的研究刚刚起步，如南京大学、兰州大学、安徽建筑工业学院研究氧化物薄膜的光电催化作用，取得了一定的进展。上海交通大学、吉林大学正在探索薄膜材料的光伏效应。华中科技大学、中科院长春光机所、华中师范大学制备了氧化物半导体薄膜及相关器件，浙江大学研究了多孔薄膜材料在 Li 离子电池方面
7、的应用。复旦大学在氧化物薄膜非易失性存储器方面的研究，取得很多有价值的成果。平板显示器件，也需要薄膜晶体管开关和驱动。因此，制备高性能的沟道薄膜材料，是开发具有自主知识产权的光电子产品的关键技术。科研队伍：学术带头人简介及创新性成果：邹晓：1971 年生，博士，教授。主要研究方向有半导体材料、器件及其电特性模拟与仿真、先进 CMOS 器件的制备及可靠性分析等。主持中国博士后科学基金项目 2 项，高等学校博士学科点专项基金（新教师类）1 项，湖北省教育厅及武汉市科技局计划项目各 1 项，作为主要研究人员参于国家自然科学基金项目 3 项。在薄膜材料制备、器件制备、性能测试、界面特性分析、可靠性评估
8、等方面积累了丰富的经验，取得了一些有价值的研究成果，发表相关论文三十余篇，SCI 收录 12 篇，EI 收录 21 篇。联合培养硕士生 4 人，博士生2 人。主要创新性成果：在国际上首次提出湿 N2 气氛退火，抵制 Ge 表面氧化的新工艺，制备出性能良好的 HfON 高 栅介质 Ge MOS 电容器件，并获得了优良的界面特性和电性能，相关成果发表于：Applied Physics Letters 90 (16): 163502(2007)，该论文被引用 30 余次。首次制备了 p-Cu2O 薄膜晶体管，迁移率达 2.7 cm2/V s，电流开关比约 1.5106，相关成果发表于 IEEE El
9、ectron Device Letters 32(1): 42-44(2011)。对薄膜、薄膜器件的制备及性能优化提出了有意义的新途径。1）在国家自然科学基金项目（60576021，60776016）及香港特别行政区 RGC项目(HKU7142/05E)资助下，研究高 栅介质 Si/Ge MOS 器件的过程中，采用磁控溅射成功制备出 5-10 nm 的高质量 HfTiO、HfTiON、HfON 介质膜，并获得了优良的界面特性和电性能。还制备了 HfOxNy/HfO2/HfOxNy 三叠高 栅介质 IGZO 薄膜晶体管，研究结果表明，该叠层结构可有效改善界面特性，提高驱动电流，并增强器件稳定性。
10、2）申请者在中国博士后科学基金(20090451064，201003492)和湖北省教育厅、武汉市科技局计划项目资助下，对铜氧化物薄膜的生长条件与迁移率、载流子浓度的有机联系作了初步的研究，分析了 Cu2O/HfO2、Cu 2O/HfON 界面特性，制备了 CuxO MOS 电容和 Cu2O TFTs，取得了优异的器件性能。3）在博士点基金（20110141120007）资助下制备了 EDL/HfO2 叠层栅介质 Hf-In-Zn-O(HIZO) MOS 电容器件。还采用 AZO(Al 掺杂 ZnO)透明导电薄膜制备了 Al/AZO 双层源漏电极，以减小源、漏接触电阻，成功增强了 IGZO 薄
11、膜晶体管的驱动性能。科研成果1 Xiao Zou, Guojia Fang, Jiawei Wan, Xun He, Haoning Wang, Nishuang Liu, Hao Long, Xingzhong Zhao, Improved subthreshold swing and gate bias stressing stability of p-Cu2O thin-film transistors using HfO2 high- gate dielectric grown on SiO2/Si substrate by pulsed laser ablation, IEEE Tr
12、ansactions on Electron Device, 2011, 58(7):2003-2007. SCI，EI2 Xiao Zou, Guojia Fang, Jiawei Wan, Nishuang Liu, Hao Long, Haolin Wang, and Xingzhong Zhao, Enhanced performance of a-IGZO thin-film transistors by forming AZO/IGZO heterojunction source/drain contacts, Semiconductor Science and Technolog
13、y, 2011, 26:055003. SCI，EI3 Xiao Zou, Guojia Fang, Longyan Yuan, Meiya Li, Wenjie Guan, and Xingzhong Zhao, Top-Gate Low-Threshold Voltage p-Cu2O Thin-Film Transistor Grown on SiO2/Si Substrate Using a High- HfON Gate Dielectric, IEEE Electron Device Letters, 2010, 31(8):827-829. SCI，EI4 Xiao Zou, G
14、uojia Fang, Longyan Yuan, Nishuang Liu, Hao Long, Xingzhong Zhao, Fabrication and electrical properties of metal-oxide semiconductor capacitors based on polycrystalline p-CuxO and HfO2/SiO2 high- stack gate dielectrics, Thin Solid Films, 2010, 518(15):4446-4449. SCI，EI5 Xiao Zou, Guojia Fang, Longya
15、n Yuan, Xingsheng Tong, and Xingzhong Zhao, A comparative study of amorphous InGaZnO thin-film transistors with HfOxNy and HfO2 gate dielectrics, Semiconductor Science and Technology, 2010, 25: 055006. SCI， EI6 Xiao Zou, Guojia Fang, Longyan Yuan, Xingsheng Tong, and Xingzhong Zhao. Improved electri
16、cal characteristics and reliability of amorphous InGaZnO metal-insulator- semiconductor capacitor with high HfOxNy gate dielectric, Microelectronics Reliability, 2010, 50(7): 954-958. SCI，EI7 X. Zou, J. P. Xu, C. X. Li, and P. T. Lai, Suppressed growth of unstable low-k GeOx interlayer in Ge metal-oxide-semiconductor capacitor with high-k gate dielectric by annealing in water vapor, Applied Physics Letters, 2007, 90 (16): 163502. SCI，
