何刚教授课题组在场效应器件领域取得系列进展

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近期，我院何刚教授课题组在锗基场效应器件界面调控、高迁移率薄膜晶体管构筑及逻辑电路应用探索方面取得系列进展。
       传统的MOSFET器件采用Si作为沟道材料，利用缩短器件沟道长度优化器件性能，但也导致了剧烈的短沟道效应。为了解决当前器件进入10 nm技术节点以下所面临的关键问题，新材料设计、新器件结构、新传输机理成为研究热点。利用高迁移率Ge半导体材料替代Si沟道，可以在不缩短沟道长度的前提下提升器件的性能，被认为是下一代高性能MOSFET器件最有可能采用的技术方案。
       在Ge MOSFET中，实现热力学稳定、无费米能级钉扎的新型高k栅与Ge-MOSFET器件，一直是微电子器件研究领域的前沿课题。课题组基于ALD技术构筑了不同堆叠次序的Al2O3/HfO2的叠层栅，构筑了Ge-MOS原型器件。研究表明，Al2O3/HfO2能有效抑制界面互扩散行为，抑制氧原子向锗基衬底的扩散，避免不稳定氧化物以及界面缺陷所导致的电荷陷阱的形成。MOS器件性能得到很大提升，实现超低等效氧化层（1.28 nm）及低漏流（3.82×10-8 A/cm2)。研究工作将为锗材料替代硅材料，推动微电子技术进入非硅CMOS时代，继续延续摩尔定律发展提供了解决方案。
   该成果以“Interface Chemistry and Dielectric Optimization of TMA-Passivated high-k/Ge Gate Stacks by ALD-Driven laminated Interlayer”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces。2017级硕士研究生王蝶为该文的第一作者，何刚教授为该论文的通讯作者。

图(a) Ge-MOS器件的C-V特性曲线图；(b) Ge-MOS器件的J-V特性曲线图。

       课题组硕士生张冲同学基于环保的水溶液法制备了新型HfGdOx高k栅介质薄膜，构筑了低压驱动的In2O3/HfGdOx TFTs器件，表现出11.2 cm2 V-1 s-1的迁移率及4.1×106的开关比。基于In2O3/HfGdOx TFT构建了可用于逻辑电路的低压操作的反相器，其表现出高增益及良好的全摆幅特性。在此基础上，课题组利用Ca掺杂实现对沟道层氧化铟氧空位的有效调控，成功构筑InCaOx/HfGdOx 薄膜晶体管和高增益的反相器，足以驱动集成电路中的信号持续传播。此项工作对低温构筑低能耗柔性场效应器件的发展具有重要的指导意义和科学价值。
       部分研究成果分别以“Eco-Friendly Fully Water-Driven HfGdOx Gate Dielectrics and Its Application in Thin Film Transistors and Logic Circuits” 和Performance Modulation in All-Solution-Driven InGaOx/HfGdOx Thin film Transistors and Exploration in Low-Voltage-Operated Logic Circuits为题发表在微电子器件领域顶尖期刊IEEE Transactions on Electron Devices (DOI: 10.1109/TED.2019.2963224; DOI:10.1109/TED.2020.3012592)

图(a)不同退火温度下In2O3/HfGdOx TFT器件的转移曲线；(b) 270℃退火处理的In2O3/HfGdOx TFT器件的输出曲线；(c) 和(d) 不同的外加电压下反相器的电压转移曲线和增益曲线图；(e)和 (f) 掺杂浓度依赖的InGaOx/HfGdOx TFT的稳定性测试曲线图；(g)和(h) 反相器在不同外加电压下的电压转移曲线和增益图。
       上述研究工作得到了国家自然科学基金【11774001；51572002】及物科院开放基金【S01003101】专项资金的经费支持，为学校“双一流”建设再添新成果。


      文章来源：
      何刚，安徽大学教授2001年获安徽大学理学学士学位，2006年获中科院合肥物质科学院固体物理所凝聚态物理博士学位。2007～2011曾先后在日本东京大学、日本国家材料研究所从事科学研究工作。现为安徽大学物理与材料科学学院特聘教授、博士生导师、安徽省学术学科带头人、合肥市第八批专业技术答辩人才、在超薄栅材料设计、场效应器件界面调控、柔性全透明薄膜晶体管性能优化等方面,取得了一系列的成果,得到了国际同行的认可和高度关注。在国际有影响的刊物：Pro. Mater. Sci; Surf. Sci. Rep; Appl. Phys. Lett; ACS Appl. Mater. Interfaces; Adv. Electro. Mater; IEEE TED（发表论文200余篇，被正面引用近2300余次。先后主持国家自然科学基金面上、青年项目，教育部重点科学技术项目，留学回国人员择优资助项目，以及安徽省自然科学基金面上项目多项；先后参与多项包括国家973 重大研究计划项目、国家自然科学基金面上项目、日本学术振兴会博士后特别基金项目等在内的重要课题。