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。對于高性能的MOS器件而言，良好的界面對于提升MOS器件的遷移率非常重要，由于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，中國科學院微電子研究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，然后進行ALD-Al2O3的沉積，獲得了具有較低缺陷密度的界面。基于此方法，分別在Ge(100), Ge(110)和Ge(111)襯底上制造了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，該遷移率為體硅遷移率的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表征的手法，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月份的應用物理快報雜志上(S. K. Wang, H. G. Liu, A. Toriumi, 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、SSDM、ECS、ICSICT、物理學報等多家期刊和學術會議上，已申請專利10余項，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 (SSDM2012), (Sep 2012, Tokyo).



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



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