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0 导论 1

0.1 引言 1

0.2 历史沿革和重大事件 1

0.3 锗用作新型超大规模集成电路（ULSI）衬底：机遇与挑战 4

0.4 本书梗概 5

参考文献 8

1 锗材料 10

1.1 引言 10

1.2 体锗片的制备 11

1.2.1 锗原材料：供应及生产流程 11

1.2.2 锗晶体生长 13

1.2.3 锗片制造 20

1.3 GOI衬底 27

1.3.1 背面研磨SOI 27

1.3.2 以薄层转移技术制备GOI衬底 29

1.4 结论 32

参考文献 33

2 锗中长入缺陷 36

2.1 引言 36

2.2 锗中本征点缺陷 36

2.2.1 本征点缺陷特性的模拟 36

2.2.2 有关空位特性的实验数据 37

2.2.3 Voronkov模型对锗的应用 38

2.3 非本征点缺陷 40

2.3.1 掺杂剂 41

2.3.2 中性点缺陷 41

2.3.3 碳 42

2.3.4 氢 42

2.3.5 氧 43

2.3.6 氮 44

2.3.7 硅 44

2.4 直拉生长过程中位错的形成 45

2.4.1 热模拟 45

2.4.2 机械应力的发生 45

2.4.3 锗的力学性质 46

2.4.4 拉晶过程中的位错成核和增殖 48

2.4.5 锗中位错的电学影响 49

2.5 点缺陷团 52

2.5.1 空位团的实验观察 52

2.5.2 空位团形成的模型和模拟 53

2.6 结论 55

参考文献 55

3 锗中掺杂剂的扩散和溶解度 59

3.1 引言 59

3.2 半导体中的扩散 59

3.2.1 扩散机制 59

3.2.2 自扩散 61

3.3 锗中的本征点缺陷 63

3.3.1 淬火 63

3.3.2 辐照 64

3.4 在锗和硅中的自扩散和Ⅳ族原子扩散 66

3.4.1 放射性示踪实验 66

3.4.2 锗中同位素作用和Ⅳ族元素的扩散 67

3.4.3 掺杂和压力的影响 69

3.4.4 锗在硅中的扩散 71

3.5 锗中杂质的溶解度 72

3.6 锗中Ⅲ、Ⅴ族掺杂剂的扩散 75

3.6.1 Ⅲ族受主的扩散 76

3.6.2 Ⅴ族施主的扩散 77

3.6.3 锗中掺杂电场对掺杂扩散的作用 79

3.6.4 小结 80

3.7 结论 81

参考文献 81

4 锗中氧 85

4.1 引言 85

4.2 间隙氧 85

4.2.1 氧浓度的测量 86

4.2.2 扩散率和溶解度 87

4.2.3 振动谱结构和缺陷模型 90

4.3 TDs和氧二聚物 92

4.3.1 TDs的电子态 94

4.3.2 TDs的振动谱 98

4.3.3 氧二聚物的振动谱 102

4.4 氧沉淀的红外吸收 105

4.5 空位-氧缺陷 107

4.6 结论 109

参考文献 109

5 锗中金属 114

5.1 引言 114

5.2 锗中的铜杂质 115

5.2.1 分配系数Kd 115

5.2.2 锗中铜原子结构 116

5.2.3 游离铜的扩散机理 117

5.2.4 掺杂浓度对铜扩散和溶解度的影响 119

5.2.5 锗中铜扩散Kick-out机理 121

5.2.6 锗中铜的沉淀 122

5.2.7 替位铜的能级和俘获截面 124

5.2.8 间隙铜原子与Cus-Cuj原子对的能级 129

5.2.9 铜对锗中载流子寿命的影响 130

5.3 锗中的银、金和铂 132

5.3.1 分凝系数、溶解度和扩散系数 132

5.3.2 能级和俘获截面 136

5.3.3 对载流子寿命的影响 140

5.4 锗中的镍 141

5.4.1 镍在锗中的溶解度和扩散率 141

5.4.2 镍在锗中的能级和俘获截面 142

5.4.3 对载流子寿命的影响 143

5.5 锗中的过渡金属 146

5.5.1 铁 146

5.5.2 钴 146

5.5.3 锰 147

5.5.4 其他金属 148

5.6 锗中金属性能的化学趋势 148

5.6.1 电学性能 148

5.6.2 锗中金属的光学性质 150

5.6.3 影响锗中载流子寿命的因素 151

5.7 结论 154

参考文献 155

6 锗中缺陷从头计算的建模 161

6.1 引言 161

6.2 量子力学方法 161

6.3 Kohn-Sham能级和占据能级 164

6.4 形成能、振动模和能级 164

6.5 锗中的缺陷模拟 165

6.6 锗中的缺陷 167

6.6.1 锗中的空位和双空位 168

6.6.2 自间隙 171

6.6.3 氮缺陷 172

6.6.4 锗中的碳 172

6.6.5 锗中的氧 172

6.6.6 热施主 174

6.6.7 锗中的氢 175

6.7 缺陷的电学能级 176

6.8 结论 178

参考文献 179

7 锗中辐射缺陷及行为 184

7.1 引言 184

7.2 辐照和材料的相互影响 185

7.2.1 损伤过程 185

7.2.2 电子、γ射线、中子和质子造成的损伤比较 187

7.2.3 离子注入损伤 190

7.3 初级辐照缺陷及其与锗中杂质的相互作用 190

7.3.1 锗中的弗仑克尔对，晶格空位、双空位和自间隙原子 190

7.3.2 锗中本征点缺陷与杂质的相互作用 192

7.3.3 离子注入损伤：锗中的多空位和多自间隙原子复合体 195

7.4 对器件的影响 197

7.5 结论 199

参考文献 200

8 锗器件的电学性能 203

8.1 引言 203

8.2 锗基p-n结 204

8.2.1 大面积p-n结原理 205

8.2.2 平面p-n结原理 208

8.2.3 理想锗p-n结原理 209

8.2.4 锗体p-n结二极管 211

8.2.5 锗p-n浅结新技术 212

8.3 锗基栅极堆叠 214

8.3.1 等效氧化物厚度 214

8.3.2 Ge/HfO2栅极堆叠 215

8.3.3 超薄GeON中间层钝化 216

8.3.4 硅表面钝化 220

8.3.5 PH3表面钝化 224

8.3.6 锗表面其他高k介电层 225

8.4 结论 226

参考文献 227

9 器件模拟 231

9.1 引言 231

9.2 锗模拟与硅模拟的比较 231

9.3 能带结构 234

9.3.1 体锗材料的导带 234

9.3.2 体锗材料的价带 236

9.3.3 在锗反型层中能量色散：电子 238

9.3.4 在锗反型层中能量色散：空穴 241

9.4 性能限制（极限） 241

9.4.1 弹道电流的分析表示式 242

9.4.2 锗、硅MOSFET的比较结果 244

9.5 半经典输运 245

9.5.1 BTE：体半导体 246

9.5.2 BTE：2D反型层 247

9.5.3 玻耳兹曼输运方程的解：基于矩的方法 247

9.5.4 玻耳兹曼输运方程的解：蒙特卡洛法应用于体锗 248

9.5.5 量子修正的蒙特卡洛法 250

9.5.6 多子带蒙特卡洛（MC） 251

9.6 结论 252

参考文献 253

10 纳米尺度锗MOS栅介质和MOS结 256

10.1 引言 256

10.2 锗的氮氧化物电介质 256

10.2.1 氮氧化锗合成和性质 257

10.2.2 基本MOS电学特性 260

10.2.3 电介质-衬底界面分析 263

10.2.4 电介质的漏电行为 266

10.2.5 小结 268

10.3 高介电常数金属氧化物电介质 268

10.3.1 高k电介质选择判据 269

10.3.2 高k电介质的ALD 270

10.3.3 高k电介质的UVO 281

10.3.4 其他的高k沉积技术 291

10.3.5 纳米电介质泄漏（电流）和可等比缩小性 295

10.3.6 小结 297

10.4 锗中的浅结 297

10.4.1 离子注入掺杂 299

10.4.2 SSD掺杂 309

10.4.3 金属锗接触 313

10.4.4 小结 314

10.5 结论 315

参考文献 316

11 先进的锗MOS器件 322

11.1 引言 322

11.2 寻找高迁移率MOSFET沟道 322

11.2.1 常规CMOS等比缩小所面临的问题 322

11.2.2 高迁移率沟道的证实和选择 325

11.3 弛豫的体沟道锗MOSFET 327

11.3.1 p沟道MOSFET 327

11.3.2 n沟道MOSFET 330

11.4 应变外延沟道锗MOSFET 333

11.4.1 表面应变外延沟道 333

11.4.2 掩埋应变外延沟道 334

11.5 绝缘体上的锗MOSFET 336

11.6 肖特基源-漏锗MOSFET 337

11.7 锗纳米线MOSFET 340

11.8 结论 341

参考文献 341

12 锗的其他应用 345

12.1 引言 345

12.2 用于其他方面锗的引人注目的材料特性 345

12.2.1 生长模式 345

12.2.2 应变对电子学调控的影响 346

12.2.3 波导 347

12.2.4 输运特性 348

12.2.5 布里渊区折叠 348

12.3 光电子学 348

12.3.1 有关集成问题 349

12.3.2 可见光到近红外光探测器 350

12.3.3 调制器 356

12.3.4 波导 358

12.3.5 光发射器 359

12.4 太阳电池 360

12.4.1 叠层电池 361

12.4.2 用于Ⅲ/Ⅴ族太阳电池的人工衬底 362

12.5 QD应用 363

12.5.1 应变器 363

12.5.2 存储器 364

12.5.3 隧穿 364

12.6 场效应晶体管（非MOS器件） 364

12.6.1 MODFET 365

12.6.2 DotFET 366

12.7 自旋电子学 366

12.8 虚拟衬底 366

12.8.1 应变调制 367

12.8.2 薄虚拟衬底 367

12.9 结论 368

参考文献 368

13 发展趋势与展望 371

13.1 引言 371

13.2 GOI和外延锗衬底 372

13.2.1 锗沉积技术 372

13.2.2 硅上锗外延生长 373

13.3 其他锗基器件 376

13.3.1 锗上GaAs和Ⅲ-Ⅴ族化合物FET器件 377

13.3.2 锗纳米线与量子点器件 378

13.4 结论 379

参考文献 380

附录 385

附表1 文献中所能得到的铜的不同荷电态的俘获截面数据总汇 385

附表2 锗中金的4个能级的电子和空穴俘获截面 388

附表3 锗中银的4个能级的电子和空穴俘获截面 390

附表4 锗中两个镍能级的俘获截面 391

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