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Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS结构界面缺陷态对C-V特性调制机制

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罗曼, 罗诗钧, 王怡彬, 焦文博, 张强, 许金通, 龙明生, 余晨辉. Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS结构界面缺陷态对C-V特性调制机制[J]. 物理学报, 2026, 75(17): 170701. doi: 10.7498/aps.75.20260366
引用本文: 罗曼, 罗诗钧, 王怡彬, 焦文博, 张强, 许金通, 龙明生, 余晨辉. Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS结构界面缺陷态对C-V特性调制机制[J]. 物理学报, 2026, 75(17): 170701. doi: 10.7498/aps.75.20260366
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Man LUO, Shijun LUO, Yibin WANG, Wenbo JIAO, Qiang ZHANG, Jintong XU, Mingsheng LONG, Chenhui YU. Modulation mechanisms of capacitance-voltage characteristics by interface defect states in Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS structures[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(17): 170701. doi: 10.7498/aps.75.20260366
Citation: Man LUO, Shijun LUO, Yibin WANG, Wenbo JIAO, Qiang ZHANG, Jintong XU, Mingsheng LONG, Chenhui YU. Modulation mechanisms of capacitance-voltage characteristics by interface defect states in Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS structures[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(17): 170701. doi: 10.7498/aps.75.20260366
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Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS结构界面缺陷态对C-V特性调制机制

  • 1.

    南通大学微电子学院(集成电路学院), 半导体器件与集成电路设计封测省高校重点实验室, 南通　226019

  • 2.

    安徽大学物质科学与信息技术学院, 光电信息获取与防护技术全国重点实验室, 合肥　230601

  • 3.

    中国科学院上海技术物理研究所, 红外探测全国重点实验室, 上海　200083

    • 作者简介: 第一作者.E-mail: luoman@ntu.edu.cn .
    通讯作者: E-mail: longms@ahu.edu.cn.;  E-mail: ychyu@ntu.edu.cn.

Modulation mechanisms of capacitance-voltage characteristics by interface defect states in Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS structures

  • 1.

    Jiangsu Key Laboratory of Semiconductor Device and IC Design, Package and Test, School of Microelectronics and Integrated Circuits, Nantong University, Nantong 226019, China

  • 2.

    State Key Laboratory of Opto-Electronic Information Acquisition and Protection Technology, Institutes of Physical Science and Information Technology, Anhui University, Hefei 230601, China

  • 3.

    National Key Laboratory of Infrared Detection Technologies, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China

    • Corresponding authors: E-mail: longms@ahu.edu.cn.;  E-mail: ychyu@ntu.edu.cn.

  • 摘要: N型In0.53Ga0.47As金属-氧化物-半导体(MOS)结构作为高性能红外探测器的核心功能元件, 其界面电学特性直接决定了器件的灵敏度和稳定性. 然而, InGaAs表面悬挂键与无序化学键引入高密度且分布复杂的界面缺陷, 始终是限制该类器件性能的关键因素. 针对这一难题, 本工作引入Al2O3/Y2O3叠层介质, 利用超薄Y2O3对InGaAs界面进行钝化, 并以Al2O3封帽保护, 从而优化InGaAs界面质量. 并基于实验测量数据, 利用TCAD构建了耦合近带边指数分布与离散能级缺陷态的综合界面缺陷态模型, 系统阐明界面缺陷态分布形式、类型以及密度等关键物理参数对低频和高频电容-电压(C-V)特性的影响. 结果表明, 指数型分布的价带施主与导带受主界面缺陷态分别主导了积累区与反型区的电容衰减及曲线拉伸. 此外, 高密度离散能级界面缺陷态产生的界面电荷会增强电场屏蔽效应, 引发能带弯曲钉扎现象. 该工作揭示了在C-V特性建模中考量界面缺陷态分布的必要性, 为InGaAs MOS器件的界面优化提供了重要理论依据.
    Abstract: The effects of interface defect states with different distribution forms on the C-V characteristics and interface charge modulation behavior of Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS structures were investigated by combining experimental data with TCAD simulations. Using the experimental C-V curves at 100 Hz and 1 MHz as calibration benchmarks, a comprehensive interface defect state model consisting of near-band-edge exponentially distributed continuous defect states and discrete energy level defect states was established at the InGaAs/Y2O3 interface. By adjusting the defect state type, we analyzed the reference energy level, energy position, defect state density, and characteristic energy parameter, the response characteristics of different defect states. Based on the evolution of band bending, carrier distribution, and interface trapped charge variation during gate-voltage sweeping, the formation mechanisms of the overall stretch-out and local anomalous fluctuations in the experimental C-V curves were further clarified. The results show that discrete donor-like and acceptor-like interface defect states mainly produce local responses when the Fermi level sweeps across specific energy levels. Through electric-field screening and defect capacitance, they can induce local capacitance reduction or hump-like behavior, accompanied by Fermi-level pinning. In contrast, exponentially distributed interface defect states modulate interface trapped charge over a wide energy range, thereby affecting the overall stretch-out of the C-V curves over a wide bias range. Among them, exponentially distributed donor-like defect states near the valence-band side mainly modulate the response in the accumulation region, whereas exponentially distributed acceptor-like defect states near the conduction-band side mainly suppress inversion electron accumulation. These results indicate that a single defect state distribution model is insufficient to simultaneously explain the overall profile and local details of the experimental curves, and that the synergistic effects of continuous and discrete defect states must be considered together. The comprehensive interface defect state model and analysis method established in this work provides a useful framework for studying interface defect modulation, parameter extraction, and interface process optimization in InGaAs MOS structures.
  • 加载中

  • 图 1  InGaAs MOS器件结构

    Figure 1.  Schematic diagram of the InGaAs MOS device structure.

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    图 2  指数型界面缺陷态密度Dit(E)与离散能级界面缺陷态面密度Nit的综合分布及与文献[15–17]报道的Dit(E)结果对比

    Figure 2.  Modeled interface state density comprising exponential Dit(E) profile and discrete Nit levels, compared with reported Dit(E) ranges in Refs. [15–17].

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    图 3  不同频率下实验数据与有无考虑界面缺陷态的仿真C-V特性曲线对比　(a) 100 Hz; (b) 1 MHz

    Figure 3.  Comparison of experimental and simulated C-V curves with and without interface defect states at different frequencies: (a) 100 Hz; (b) 1 MHz.

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    图 4  100 Hz下位于价带顶(Et = Ev)的离散能级施主型界面缺陷态面密度N0对C-V的影响及对应能带响应　(a)不同N0下的C-V曲线; (b)—(d) Vg = –0.64 V, –1.28 V和–2.0 V时的能带与界面缺陷态能级分布

    Figure 4.  Effect of discrete donor-type interface defect states at the valence band edge (Et = Ev) on the C-V characteristics at 100 Hz and the corresponding band responses: (a) C-V curves for different areal densities N0 of discrete donor-type interface defect states; (b)–(d) band diagrams and energy distributions of interface defect states at Vg = –0.64 V, –1.28 V, and –2.0 V, respectively.

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    图 5  100 Hz不同离散型施主界面缺陷态面密度N0条件下的载流子与界面陷阱电荷空间分布(N0从左往右依次为5×1012, 7×1012, 1×1013 cm–2)　(a), (b) Vg = –0.64 V和Vg = –2.0 V时空穴密度分布; (c), (d) Vg = –0.64 V和Vg = –2.0 V时界面处呈正电性的陷阱电荷面密度分布

    Figure 5.  Spatial distributions of hole density and interface-trapped positive charge at 100 Hz for different discrete donor-type interface defect state areal densities N0 (from left to right, N0 = 5×1012, 7×1012, and 1×1013 cm–2): (a), (b) Hole density distributions at Vg = –0.64 V and –2.0 V; (c), (d) areal density of trapped positive charge at the interface at Vg = –0.64 V and –2.0 V, respectively.

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    图 6  100 Hz下位于Et–Ev = 0.8 eV的离散能级受主型界面缺陷态面密度N0对C-V的影响及对应能带响应　(a)不同N0下的C-V曲线; (b)—(d) Vg = 0.32 V, 0.88 V和2.0 V时的能带与界面缺陷态能级分布

    Figure 6.  Effect of discrete acceptor-type interface states at Et–Ev = 0.8 eV on 100 Hz C-V characteristics and band responses: (a) C-V curves for different areal densities N0 of discrete acceptor-type interface defect states; (b)–(d) band diagrams and energy distributions of interface defect states at Vg = 0.32 V, 0.88 V, and 2.0 V, respectively.

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    图 7  100 Hz不同离散型受主界面缺陷态面密度N0条件下的载流子与界面陷阱电荷空间分布(N0从左往右依次为2×1011, 1×1012, 5×1012 cm–2)　(a), (b) Vg = 0.88 V和Vg = 2.0 V时电子浓度分布; (c), (d) Vg = 0.88 V和Vg = 2.0 V时界面处呈负电性的陷阱电荷面密度分布

    Figure 7.  Spatial distributions of electron density and interface-trapped negative charge at 100 Hz for different discrete acceptor-type interface defect state areal densities N0 (from left to right, N0 = 2×1011, 1×1012, and 5×1012 cm–2): (a), (b) Electron density distributions at Vg = 0.88 V and 2.0 V, respectively; (c), (d) areal density of trapped negative charge at the interface at Vg = 0.88 V and 2.0 V, respectively.

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    图 8  1 MHz下离散施主型(Et = Ev)与受主型(Et–Ev = 0.8 eV)界面缺陷态面密度N0对C-V特性及能带响应的对比　(a)施主型缺陷态在不同N0下的C-V曲线; (b), (c)施主型缺陷态在Vg = –0.8 V和Vg = –2.0 V下的能带与缺陷态能级分布; (d)受主型缺陷态在不同N0下的C-V曲线; (e), (f)受主型缺陷态在Vg = 0.64 V和Vg = 0.88 V下的能带与缺陷态能级分布

    Figure 8.  Effect of discrete donor- and acceptor-type interface state areal densities N0 on 1 MHz C-V characteristics and band responses: (a) C-V curves for donor-type states at Et = Ev; (b), (c) band diagrams and energy distributions of interface defect states at Et = Ev with Vg = –0.8 V and –2.0 V, respectively; (d) C-V curves for acceptor-type interface defect states at Et–Ev = 0.8 eV; (e), (f) band diagrams and energy distributions of interface defect states at Et–Ev = 0.8 eV with Vg = 0.64 V and 0.88 V, respectively.

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    图 9  指数型施主界面缺陷态峰值密度N0对C-V频率特性及能带响应的影响　(a) 100 Hz下不同N0的C-V曲线; (b), (c) 100 Hz下, Vg = –0.4 V和Vg = –1.04 V时的能带与界面缺陷态能级分布; (d) 1 MHz下不同N0的C-V曲线; (e), (f) 1 MHz下, Vg = –0.32 V和Vg = –2.0 V时的能带与界面缺陷态能级分布

    Figure 9.  Frequency-dependent C-V characteristics and corresponding band responses for exponential donor-type interface states with peak densities N0: (a) C-V curves at 100 Hz for various N0; (b), (c) band diagrams and energy distributions of interface defect states at 100 Hz with Vg = –0.4 V and –1.04 V, respectively; (d) C-V at 1 MHz for different N0; (e), (f) band diagrams and energy distributions of interface defect states at 1 MHz with Vg = –0.32 V and –2.0 V, respectively.

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    图 10  100 Hz下不同指数型施主界面缺陷态峰值密度N0下的空穴分布与界面陷阱电荷分布(N0从左往右依次为5×1012, 1×1013, 2×1013 eV–1·cm–2)　(a), (b)分别为Vg = –0.64 V和Vg = –2.0 V时的空穴浓度分布; (c), (d)分别为Vg = –0.64 V和Vg = –2.0 V时界面处呈正电性的陷阱电荷面密度

    Figure 10.  Spatial distributions of hole density and interface-trapped positive charge at 100 Hz for exponential interface donor-type defect states with peak densities N0 (from left to right, N0 = 5×1012, 1×1013, and 2×1013 eV–1·cm–2): (a), (b) Hole density distributions at Vg = –0.64 V and –2.0 V, respectively; (c), (d) areal density of trapped positive charge at the interface at Vg = –0.64 V and –2.0 V, respectively.

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    图 11  指数型受主界面缺陷态峰值密度N0对C-V频率特性及能带响应的影响　(a) 100 Hz下不同N0的C-V曲线; (b), (c) 100 Hz下, 分别在Vg = 0.4 V和Vg = 0.56 V的能带与界面缺陷态能级分布; (d) 1 MHz下不同N0的C-V曲线; (e), (f) 1 MHz下, Vg = 0.24 V和Vg = 0.56 V时的能带与界面缺陷态能级分布

    Figure 11.  Frequency-dependent C-V characteristics and corresponding band responses for exponential interface acceptor-type defect states with peak densities N0: (a) C-V curves at 100 Hz for different N0; (b), (c) band diagrams and energy distributions of interface defect states at 100 Hz with Vg = 0.4 V and 0.56 V, respectively; (d) C-V at 1 MHz for different N0; (e), (f) band diagrams and energy distributions of interface defect states at 1 MHz with Vg = 0.24 V and 0.56 V, respectively.

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    图 12  100 Hz下不同指数型受主界面缺陷态峰值密度N0导致的电子分布与界面俘获电荷分布(N0从左往右依次为5×1012, 7×1012, 1×1013 eV–1·cm–2)　(a), (b)分别为Vg = 0.24 V和Vg = 1.04 V时的电子浓度分布; (c), (d)分别为Vg = 0.24 V和Vg = 1.04 V时的界面缺陷态俘获电子电荷面密度分布

    Figure 12.  Spatial distributions of electron density and interface-trapped negative charge at 100 Hz for exponential interface acceptor-type defect states with peak densities N0 (from left to right, N0 = 5×1012, 7×1012, and 1×1013 eV–1·cm–2): (a), (b) Electron density distributions at Vg = 0.24 V and 1.04 V, respectively. (c), (d) areal density of trapped negative charge at the interface at Vg = 0.24 V and 1.04 V, respectively.

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    表 1  离散型分布界面缺陷态的关键物理参数

    Table 1.  Key physical parameters of discrete interface defect states.

    缺陷类型 参考能级E0 能级位置E/eV 面密度N0/cm–2
    施主型 价带 0 1.5×1012
    受主型 价带 0.8 2×1011
    价带 0.83 2×1011
    价带 0.85 2×1011
    价带 0.87 1.5×1011
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    表 2  指数型分布界面缺陷态的关键物理参数

    Table 2.  Key physical parameters of exponential interface defect states.

    缺陷类型参考能级
    E0    		能级位置
    E/eV    		峰值态密度
    N0/(eV–1·cm–2)    		特征能量
    参数Es
    施主型价带02×10130.13
    受主型导带03×10120.12
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  • [1] Li Q C, Han D, Zhang J Y, Wang Z H, Wang T, Zhang J J 2025 Chin. Phys. Lett. 42 120802 doi: 10.1088/0256-307X/42/12/120802
    [2] Tsamo Tagougue G, Martinez E, Veillerot M, Thoréton V, Martin M, Baron T, Lefevre G, Cavalaglio S, Bassani F 2025 J. Appl. Phys. 138 025301 doi: 10.1063/5.0270597
    [3] Liu L S, Chen R L, Kong C T, Deng Z, Liu G P, Yan J F, Qin L, Du H, Song S X, Zhang X H, Wang W X 2024 Materials 17 845 doi: 10.3390/ma17040845
    [4] Zhang J X, Wang W, Li Z B, Ye H F, Huang R Y, Hou Z P, Zeng H, Zhu H X, Liu C, Yang X Y 2021 Front. Phys. 9 678192 doi: 10.3389/fphy.2021.678192
    [5] Rezaei M, Park M S, Rabinowitz C, Tan C L, Wheaton S, Ulmer M, Mohseni H 2019 Appl. Phys. Lett. 114 161101 doi: 10.1063/1.5091052
    [6] Yu C L, Li X, Yang B, Huang S L, Shao X M, Zhang Y G, Gong H M 2017 Infrared Phys. Technol. 85 74 doi: 10.1016/j.infrared.2017.05.017
    [7] Huang P, Luc Q H, Sibaja-Hernandez A, Hsu C W, Wu J Y, Ko H L, Tran N A, Collaert N, Chang E Y 2021 AIP Adv. 11 015050 doi: 10.1063/5.0037378
    [8] Chidambaram T, Veksler D, Madisetti S, Yakimov M, Tokranov V, Oktyabrsky S 2016 IEEE Electron Device Lett. 37 1547 doi: 10.1109/LED.2016.2617119
    [9] Caruso E, Lin J, Monaghan S, Cherkaoui K, Gity F, Palestri P, Esseni D, Selmi L, Hurley P K 2020 IEEE Trans. Electron Devices 67 4372 doi: 10.1109/TED.2020.3018095
    [10] Zhang Y, Cheng T T, Xu T F, Luo M, Luo S J, Ge M, Xu J T, Yu C H 2025 Infrared Phys. Technol. 147 105772 doi: 10.1016/j.infrared.2025.105772
    [11] Qin J Y, Jiang R Q, Luo M, Cheng T T, Meng Y X, Zu Y Z, Zhang J Z, Ho J C, Yu C H, Chu J H 2024 Infrared Phys. Technol. 137 105105 doi: 10.1016/j.infrared.2023.105105
    [12] 常虎东, 孙兵, 卢力, 赵威, 王盛凯, 王文新, 刘洪刚 2012 物理学报 61 217304 doi: 10.7498/aps.61.217304 Chang H D, Sun B, Lu L, Zhao W, Wang S K, Wang W X, Liu H G 2012 Acta Phys. Sin. 61 217304 doi: 10.7498/aps.61.217304
    [13] 玛丽娅, 李豫东, 郭旗, 艾尔肯, 王海娇, 汪波, 曾骏哲 2015 物理学报 64 154217 doi: 10.7498/aps.64.154217 Ma L Y, Li Y D, Guo Q, Ai E K, Wang H J, Wang B, Zeng J Z 2015 Acta Phys. Sin. 64 154217 doi: 10.7498/aps.64.154217
    [14] 刘远, 吴为敬, 李斌, 恩云飞, 王磊, 刘玉荣 2014 物理学报 63 098503 doi: 10.7498/aps.63.098503 Liu Y, Wu W J, Li B, En Y F, Wang L, Liu Y R 2014 Acta Phys. Sin. 63 098503 doi: 10.7498/aps.63.098503
    [15] Brammertz G, Lin H C, Caymax M, Meuris M, Heyns M, Passlack M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 202109 doi: 10.1063/1.3267104
    [16] Lin T D, Chang Y H, Lin C A, Huang M L, Lee W C, Kwo J, Hong M 2012 Appl. Phys. Lett. 100 172110 doi: 10.1063/1.4706261
    [17] Galatage R V, Zhernokletov D M, Dong H, Brennan B, Hinkle C L, Wallace R M, Vogel E M 2014 J. Appl. Phys. 116 014504 doi: 10.1063/1.4886715
    [18] Lin H C, Wang W E, Brammertz G, Meuris M, Heyns M 2009 Microelectron. Eng. 86 1554 doi: 10.1016/j.mee.2009.03.112
    [19] Chang P, Chiu H C, Lin T D, Huang M L, Chang W H, Wu S Y, Wu K H, Hong M, Kwo J 2011 Appl. Phys. Express 4 114202 doi: 10.1143/APEX.4.114202
    [20] Chen Y F, Wang Y, Wang Z, Gu Y, Ye Y, Chai X L, Ye J F, Chen Y, Xie R Z, Zhou Y, Hu Z G, Li Q, Zhang L L, Wang F, Wang P, Miao J S, Wang J L, Chen X S, Lu W, Zhou P, Hu W D 2021 Nat. Electron. 4 357 doi: 10.1038/s41928-021-00586-w
    [21] Cheng T T, Zhang K, Luo M, Meng Y X, Zu Y Z, Wang Y J, Wang P, Yu C H 2023 J. Infrared Millimeter Waves 42 666
    [22] Sun H Z, Qian L Y, Hong X K, Ye B J, Qiang A Q, Liu Y S, Parkhomenko I N, Komarov F F, Wang J, Xue J J, Yang G F 2025 Adv. Photonics 7 066008
    [23] Li X Q, Sun H Z, Ge M, Qian L Y, Ge X Y, Hong X K, Qian W Y, Zhang X Y, Liang J G, Shan X Y 2025 Appl. Phys. Lett. 127 213301 doi: 10.1063/5.0307178
    [24] Kong L Y, Song Y, Kim J D, Yu L, Wasserman D, Chim W K, Chiam S Y, Li X L 2017 ACS Nano 11 10193 doi: 10.1021/acsnano.7b04752
    [25] Cherkaoui K, O'Connor E, Monaghan S, Long R D, Djara V, O'Mahony A, Nagle R, Pemble M E, Hurley P K 2010 ECS Trans. 28 181
    [26] Beneventi G B, Reggiani S, Gnudi A, Gnani E, Alian A, Collaert N, Mocuta A, Thean A, Baccarani G 2015 IEEE Trans. Electron Devices 62 3645 doi: 10.1109/TED.2015.2478847
    [27] Södergren L, Olausson P, Lind E 2023 IEEE Trans. Electron Devices 70 1226 doi: 10.1109/TED.2023.3238382
    [28] Yesayan A, Jazaeri F, Sallese J-M 2016 IEEE Trans. Electron Devices 63 1368 doi: 10.1109/TED.2016.2521359
    [29] Qin J Y, Luo M, Cheng T T, Meng Y X, Zu Y Z, Wang X, Yu C H 2024 J. Infrared Millimeter Waves 43 744
    [30] Lin Y H G, Wan H W, Young L B, Lai K H, Liu J, Cheng Y T, Kwo J, Hong M 2024 J. Appl. Phys. 135 015701 doi: 10.1063/5.0174575
    [31] Michl J 2022 Charge Trapping and Variability in CMOS Technologies at Cryogenic Temperatures Ph. D. Dissertation (Wien: Technische Universität Wien
    [32] Synopsys 2022 Sentaurus Device User Guide (Version T-2022.03) (Mountain View, CA: Synopsys) p543
    [33] Engel-Herbert R, Hwang Y, Stemmer S 2010 J. Appl. Phys. 108 124101 doi: 10.1063/1.3520431
    [34] Shi M, Shao X M, Tang H J, Li X, Gong H M 2022 Infrared Phys. Technol. 122 104084 doi: 10.1016/j.infrared.2022.104084
    [35] Hurley P K, O'Connor É, Djara V, Monaghan S, Povey I M, Long R D, Sheehan B, Lin J, McIntyre P C, Brennan B 2013 IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 13 429 doi: 10.1109/TDMR.2013.2282216
    [36] Anwar S R, Vandenberghe W G, Bersuker G, Veksler D, Verzellesi G, Morassi L, Galatage R V, Jha S, Buie C, Barton A T 2017 IEEE Trans. Electron Devices 64 3794 doi: 10.1109/TED.2017.2725741
    [37] Greene-Diniz G, Kuhn K J, Hurley P K, Greer J C 2017 J. Appl. Phys. 121 075703 doi: 10.1063/1.4975033
    [38] Kao W C, Ali A, Hwang E, Mookerjea S, Datta S 2010 Solid-State Electron. 54 1665 doi: 10.1016/j.sse.2010.07.018
    [39] Balestra L, Di Stasi S, Gnani E, Reggiani S, Chen M-Y, Iwai H, Chang E Y 2025 Solid-State Electron. 231 109265
    [40] O'Regan T P, Hurley P K 2011 Appl. Phys. Lett. 99 163502 doi: 10.1063/1.3652699
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图( 12) 表( 2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-13
  • 刊出日期:  2026-09-05

Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS结构界面缺陷态对C-V特性调制机制

    通讯作者: E-mail: longms@ahu.edu.cn.; 
    通讯作者: E-mail: ychyu@ntu.edu.cn.
    作者简介: 第一作者.E-mail: luoman@ntu.edu.cn
  • 1. 南通大学微电子学院(集成电路学院), 半导体器件与集成电路设计封测省高校重点实验室, 南通　226019
  • 2. 安徽大学物质科学与信息技术学院, 光电信息获取与防护技术全国重点实验室, 合肥　230601
  • 3. 中国科学院上海技术物理研究所, 红外探测全国重点实验室, 上海　200083
  • 收稿日期:  2026-03-13

摘要: N型In0.53Ga0.47As金属-氧化物-半导体(MOS)结构作为高性能红外探测器的核心功能元件, 其界面电学特性直接决定了器件的灵敏度和稳定性. 然而, InGaAs表面悬挂键与无序化学键引入高密度且分布复杂的界面缺陷, 始终是限制该类器件性能的关键因素. 针对这一难题, 本工作引入Al2O3/Y2O3叠层介质, 利用超薄Y2O3对InGaAs界面进行钝化, 并以Al2O3封帽保护, 从而优化InGaAs界面质量. 并基于实验测量数据, 利用TCAD构建了耦合近带边指数分布与离散能级缺陷态的综合界面缺陷态模型, 系统阐明界面缺陷态分布形式、类型以及密度等关键物理参数对低频和高频电容-电压(C-V)特性的影响. 结果表明, 指数型分布的价带施主与导带受主界面缺陷态分别主导了积累区与反型区的电容衰减及曲线拉伸. 此外, 高密度离散能级界面缺陷态产生的界面电荷会增强电场屏蔽效应, 引发能带弯曲钉扎现象. 该工作揭示了在C-V特性建模中考量界面缺陷态分布的必要性, 为InGaAs MOS器件的界面优化提供了重要理论依据.

English Abstract

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    1.   引　言

    • Ⅲ-Ⅴ族窄带隙半导体InGaAs凭借高电子迁移率[1]与InP工艺平台的兼容性的优势[2,3], 成为制备高性能短波红外(short-wave infrared, SWIR) 探测器及焦平面阵列的核心光敏材料[4–6]. 对于此类器件而言, 氧化层/半导体界面的电学质量直接决定了栅控效率、阈值稳定性、噪声与频率响应[7,8]. 然而, InGaAs表面易发生再氧化与化学无序, 悬挂键等相关缺陷会在禁带内形成复杂的界面缺陷, 表现为明显的C-V频率色散、曲线拉伸以及局部异常起伏等现象[9]. 这些界面缺陷在严重削弱栅极对表面电势的有效控制的同时, 通过陷阱电荷加剧载流子散射并降低沟道载流子迁移率, 致使器件栅控效率与噪声性能劣化, 诱发暗电流升高与信噪比下降. 因此, 界面缺陷始终是制约该类器件实现更高探测灵敏度与长期稳定性的关键瓶颈[10–14].

      尽管Al2O3界面以及HfO2等高k介质因其高介电常数和稳定性好的非晶态, 被广泛应用于InGaAs MOS器件中, 但其直接生长在InGaAs衬底上时, 依旧面临界面质量不佳的挑战[15–17]. Lin等[18]检测到, ALD-Al2O3/InGaAs界面在禁带中部至价带顶范围内的界面缺陷态密度仍超过1×1013 eV–1·cm–2. 相比之下, Chang等[19]在InGaAs上原位UHV沉积Y2O3并以Al2O3封帽, 实现界面高温退火后仍保持原子级平整, 并将界面缺陷态密度降低至8×1011—9×1011 eV–1·cm–2. 因此, 本文以该高性能界面为建模仿真对象, 在已实现高质量界面的前提下, 深入解析界面缺陷态分布对C-V特性的调制机制. 值得注意的是, 界面工程的价值不仅体现于三维半导体MOS体系, 对二维范德瓦耳斯异质结同样至关重要. Peng等[20]表明, 范德瓦耳斯单极势垒结构可避免晶格失配与界面缺陷, 实现室温高性能红外探测. 尽管如此, InGaAs界面缺陷对表面化学状态高度敏感, 现有的电学表征手段往往只能提供等效的缺陷分布信息, 难以精确解析其真实的能级分布与参数组合. 特别是在原子与电子尺度的界面电荷重排过程难以通过实验直接观测, 因而需要借助理论计算与数值建模进行互补分析[21,22].

      为了突破这一性能瓶颈, 构建具有明确物理意义的界面缺陷态模型, 是准确解析上述非理想电学特性并为界面工艺优化提供理论指导的关键[23]. InGaAs MOS结构的C-V特性研究通常采用两种方法: 一种是将界面缺陷态等效为少数离散能级界面缺陷态[24,25], 该模型虽能够刻画费米能级EF扫描特定能级时的局部电容起伏, 但对缺陷能级位置、界面缺陷态面密度(Nit)等参数较为敏感, 难以同时解释宽偏压范围内C-V曲线伸展与衰减的整体形貌; 另一种是以连续能量分布的界面缺陷态, 如指数型界面缺陷态密度(Dit(E))分布, 更适用于描述频率色散与C-V曲线的整体形貌[7,15,26,27], 但当曲线包含局部异常特征时, 仅依赖连续分布往往难以进一步定位其对应的界面缺陷态能级位置. 上述差异表明, 离散能级与连续能量分布的界面缺陷态在刻画局部特征与解释全局C-V趋势方面具有互补性[28].

      鉴于此, 本文围绕Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS结构的C-V频率色散与曲线形变问题, 构建融合近带边指数型衰减分布与少量离散能级的界面缺陷态模型, 并在数值仿真框架下建立栅压扫描、能带弯曲、界面缺陷态占据变化与C-V响应之间的对应关系. 从而给出对低频与高频C-V特性的一致机理解释, 并为InGaAs MOS界面缺陷态表征与介质工程优化提供可迁移的建模思路. 类似的实验对标结合数值拟合分析的方式已被用于二维绝缘层FN隧穿物理参数的提取[29].

    2.   实验与仿真方法

    • 本文采用的C-V实验数据与器件工艺流程均参照已报道的MOS结构[30]. 实验样品为基于p型InP(100)衬底的In0.53Ga0.47As MOS结构, 采用Al2O3/Y2O3叠层介质以优化氧化层/半导体界面质量. InGaAs外延层在超高真空多腔体系统中生长于衬底之上, 并通过原位热处理实现可控表面重构; 随即在重构的InGaAs表面沉积超薄Y2O3作为界面控制层, 再沉积Al2O3作为保护层; 继而进行高温快速退火以提升叠层介质与界面的热稳定性, 最后完成顶栅金属沉积及形成气氛后退火, 进一步抑制界面缺陷态响应并降低漏电流[30].

      基于上述实验工艺, 本文构建了如图1所示的MOS仿真模型(金属栅/Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As). 鉴于MOS结构在横向尺度上远大于介质厚度, 采用二维截面模型表征器件中心区域的物理特性. 该模型的几何尺寸与材料参数严格遵循Lin等[30]的实验设定. 后续能带与电荷分布的分析均沿基于图1定义的法向坐标进行.

      本文选取Lin等[30]报道中100 Hz和1 MHz两个特征频率下的实验C-V曲线作为基准数据. 在InGaAs/Y2O3界面处构建了离散型分布缺陷态与指数型分布缺陷态融合的混合界面缺陷模型. 离散型分布缺陷态用于表征费米能级扫过特定能级时的局部异常特征, 通过调整缺陷态类型、能级位置、缺陷态密度参数来校准模型. 而指数型分布缺陷态用于模拟连续分布的缺陷态对C-V曲线整体横向拉伸幅度的贡献. 在上述参数的基础上, 还引入了特征能量参数, 以表征指数型缺陷态密度相对于参考带边向禁带内部的衰减特征. TCAD仿真通过在各直流偏压工作点附近叠加小信号交流扰动, 计算上述特征频率下的端口电容并同步输出载流子密度与界面处陷阱电荷面密度等关键物理量. 通过仿真结果与实验数据对比, 完成TCAD模型的校准及界面缺陷态参数的提取与机理分析.

    3.   结果与讨论

    • 本文在Y2O3/InGaAs界面处建立的界面缺陷态模型如图2所示. 指数型分布界面缺陷态用下方横轴的界面缺陷态密度Dit(E)描述, 离散界面缺陷态用上方横轴的Nit描述. 为与Sentaurus TCAD缺陷模型参数命名保持一致, 统一采用符号N0表示界面缺陷态密度参数. 具体而言, 针对离散能级界面缺陷态, N0对应于面密度Nit, 单位为cm–2; 针对指数型分布界面缺陷态, N0则代表带边参考能量处的峰值态密度, 单位为eV–1·cm–2. 离散型分布界面缺陷态的面密度N0侧重于调制费米能级扫过特定能级时的局部响应, 决定了低频电容隆起的幅值以及对应的费米能级钉扎程度. 而对于指数型分布界面缺陷态来说, 其峰值密度N0主要决定了宽偏压范围内电场屏蔽效应的强度及其引起的C-V曲线整体横向拉伸程度; 特征能量参数主要影响该拉伸效应所覆盖的偏压范围[31].

      指数型分布的缺陷态密度随能级的变化遵循(1)式[32]. 式中E即缺陷态能级Et, E0为缺陷态分布的参考能级位置, Es为特征能量参数:

      根据InGaAs界面缺陷态的典型物理特征, 模型在靠近价带侧主要引入施主型缺陷态, 在靠近导带侧引入受主型缺陷态[15], 这种非对称分布配置旨在准确模拟空穴积累区与电子反型区的不同屏蔽机制[16]. 表1和表2展示了模型中的关键物理参数.

      通过与不同介质体系中典型文献报道的界面缺陷态分布结果进行了比较, 本文所采用的界面缺陷态密度处于Brammertz等[15]、Lin等[16]以及Galatage等[17]报道范围的较低区间.

      需要进一步指出的是, 表中所列参数为界面缺陷态模型的有效建模参数, 其初始扫描范围参考Brammertz等[15]、Lin等[16]以及Galatage等[17]报道的InGaAs MOS界面缺陷态的典型数量级与能量分布特征设定, 最终数值通过对Lin等[30]实验数据的拟合与校准确定. 由于界面缺陷态分布对界面形成过程高度敏感, 薄膜沉积方式、表面预处理及后退火条件等工艺因素均可能影响参数取值, 因此, 表中参数主要适用于与本文研究对象相近的Al2O3/Y2O3/InGaAs MOS界面结构及制备条件, 具有一定的工艺相关性.

      基于图2定义的界面缺陷态模型, 图3(a), (b)分别展示了在100 Hz和1 MHz下, 实验数据与仿真结果的对比. 图中虚线代表未考虑界面缺陷态的理想器件仿真曲线, 实线则为引入该缺陷态分布后的仿真曲线. 仿真得到的C-V曲线在100 Hz与1 MHz频段和实验数据高度吻合, 佐证了所构建的离散-连续联合界面缺陷态模型的可靠性. 同时, 该结果也表明Al2O3/Y2O3叠层结构可通过抑制界面缺陷态响应、缓解频率色散以提升界面电学质量.

      为了从机理层面阐明界面缺陷态对C-V特性的调制规律, 本节将基于图2中的模型, 从缺陷态的分布形式与类型展开讨论, 重点分析缺陷态密度变化引起的界面电荷分配与能带弯曲, 进而揭示其对C-V特性的调制机理[33,34].

      如图4(a)所示, 价带顶附近的离散施主型界面缺陷态在100 Hz下显著影响负偏压区的C-V特性. 在–2 V至约–0.64 V偏压下, 电容随着缺陷态面密度N0的增大而降低; 而当N0增至1×1013 cm–2时, C-V曲线在局部偏压区域出现隆起, 体现出陷阱电荷的屏蔽效应和界面缺陷态充放电引入的缺陷电容Cit之间存在竞争关系[35].

      在–0.64 V附近, 能带弯曲对N0的敏感性增强 (图4(b)). 低N0时的能带上弯更明显, 而高N0的能带弯曲被削弱, 说明较高N0下, 施主型界面缺陷态俘获空穴形成高密度的正电性陷阱电荷, 显著屏蔽外加栅压, 致使半导体侧有效电场减小、能带弯曲被抑制. 图5(a), (c)进一步佐证该结论, 在相同偏压下, 随着N0从5×1012增至1×1013 cm–2, 界面附近空穴密度(hDensity)逐渐降低, 而界面处呈正电性的陷阱电荷面密度(hInterfaceTrappedCharge)升高, 通过库伦作用将空穴积累层推离界面, 从而削弱表面空穴响应[36].

      当栅压增大至–1.28 V (图4(c)), 高N0条件下, 界面附近的能带呈现费米能级钉扎[33], 栅压增量更多用于调制缺陷态的充放电过程, 而非继续推动表面势变化, 因此在该偏压附近的Cit增强, 对应图4(a)中的局部隆起. 当负偏压进一步增大至–2 V (图4(d)), 费米能级EF已明显低于界面缺陷态能级Et且偏离其可响应范围, 呈正电性的陷阱电荷数量接近饱和, 缺陷态充放电响应减弱.

      正如图5(b), (d)所示, N0越高, 界面处呈正电性的陷阱电荷将更多的空穴推离界面且陷阱电荷面密度也逐步增大, 使得半导体侧电容减小, 进而降低总电容.

      对应于施主型界面缺陷态, 受主型界面缺陷态主要分布于禁带的上半部分, 本文选取Et–Ev = 0.8 eV处的离散能级受主型界面缺陷态为例, 探究其对C-V特性的调制机制. 该能级位置参考Brammertz等[15]的结论, 即在拟合InGaAs MOS结构实验C-V时, 需要在靠近带边的能量位置引入较高密度的受主型界面缺陷态, 方能有效复现实验的曲线特征.

      如图6(a)所示, 在100 Hz, Vg ≤ 0.32 V时不同离散能级受主型界面缺陷态面密度N0的曲线几乎重合, 此时受主缺陷态对电容贡献微弱. 由图6(b)可知, 该条件下Et整体位于EF之上, 受主缺陷态主要处于电中性的空态, 故无法提供显著的Cit. 随着正向栅压继续增大, EF逐步扫过Et, 受主型界面缺陷态俘获电子概率增加, 由电中性态转变为带负电的陷阱电荷[37]. 该过程引入额外的Cit, 使C-V曲线出现明显隆起, 且N0越大, 隆起幅度越明显. 同时, 这些带负电的陷阱电荷增强了电场屏蔽效应, 导致达到相同表面势所需栅压升高, 表现为C-V曲线中隆起的峰值位置随N0增大向正电压方向移动, 并抑制反型建立[38].

      当栅压增大至Vg = 0.88 V (图6(c)) 时, 高N0情况下, EF在Et附近表现出更强的费米钉扎效应, 导致栅压的增量更多用于改变受主型界面缺陷态的电子占据状态[39]. 从电荷分配角度分析(图7(a), (c)), 随着N0增大, 界面附近电子密度 (eDensity)明显降低, 且界面处呈负电性的陷阱电荷面密度(eInterfacetrappedCharge)同步升高, 证明更多受主缺陷态捕获电子且参与交流调制, 从而贡献更大的Cit, 对应了图6(a)曲线中更加突出的局部隆起.

      当栅压进一步增大至Vg = 2 V (图6(d)), EF已越过Et, 受主型界面缺陷态占据率趋近饱和, 表现为稳定的负电荷状态, 充放电响应减弱. 此时N0越大, 界面附近电子密度越低 (图7(b)), 而呈负电性的陷阱电荷面密度维持更高水平(图7(d)). 这表明界面处负电性的陷阱电荷对栅控电场产生持续屏蔽, 使电场更难诱导足够的自由电子, 因而高正偏压端仍体现为反型建立受抑, 电容上升受限.

      当测试频率提升至1 MHz时, 界面缺陷态难以充分跟随交流信号响应, 因此相较100 Hz, 曲线差异更多体现为陷阱电荷的静电屏蔽效应, 而非显著的Cit隆起.

      位于价带顶的离散能级施主型界面缺陷态主要调制积累端电容特性[39]. 当偏压从–0.8 V扫描至正偏压时, 各C-V曲线逐渐趋于重合; 在接近–2 V的积累区, 电容随N0增大而降低(图8(a)). 如图8(b)所示, 在Vg = –0.8 V时EF已高于Et且偏离较远, 施主缺陷态主要处于电中性态, 其电场屏蔽效应微弱, 因此不同N0下C-V差异不明显. 而当偏压进一步增大至Vg = –2 V时(图8(c)), EF位于Et之下, 高N0产生更多带正电的陷阱电荷, 其增强的电场屏蔽效应, 不仅抑制了能带弯曲, 还通过排斥空穴远离界面, 降低积累区电容.

      对于距价带顶0.8 eV的离散能级受主型界面缺陷态, 1 MHz下的影响主要表现为反型侧的轻微电容增大. 如图8(d)所示, 在Vg = 0.64 V附近, 电容随N0增大出现小幅隆起, 此时能带下弯使EF接近并越过Et, 受主缺陷态逐步被电子填充并形成带负电的陷阱电荷 (图8(e)). 随着偏压增大至Vg = 0.88 V (图8(f)), 这些陷阱电荷进一步积聚并增强了对栅控电场的屏蔽, 致使高N0情况下的能带更趋平缓.

      与离散型界面缺陷态仅在EF跨越特定能级时产生显著响应不同, 指数型施主界面缺陷态在靠近价带顶处呈连续能量分布, 其电荷占据随偏压连续变化, 在宽电压范围内持续调制界面电荷, 从而使C-V曲线拉伸. 在100 Hz条件下 (图9(a)), 指数型施主界面缺陷态对C-V特性的影响来自带正电陷阱电荷的屏蔽效应与缺陷态充放电引入的缺陷Cit的共同作用.

      当栅压位于–0.4 V附近时 (图9(b)), 界面处EF已落入指数型施主界面缺陷态的可响应能级范围, 部分施主缺陷态发生空穴的俘获和释放, 因而产生额外的Cit并表现为总电容的局部增大; 同时指数型施主界面缺陷态的峰值密度N0越大, 带正电的陷阱电荷与可参与响应的缺陷数量也随之增加, 导致屏蔽效应更强, 使得能带弯曲差异更加明显.

      这一推论在图10(a), (c)中得到证实, 数据显示Vg = –0.64 V时, 随着N0增大, 界面附近的空穴浓度逐步降低, 而呈正电性的陷阱电荷面密度持续升高. 这种此消彼长的趋势表明, 高N0下, 空穴更易被施主型界面缺陷态俘获, 使带正电的陷阱电荷密度增加, 从而削弱了栅极对半导体的控制能力.

      随着负偏压进一步增大至–1.04 V (图9(c)), EF深入至指数型施主界面缺陷态密度更高的能级范围, 使得更多施主缺陷态参与响应, Cit的贡献更显著; 与此同时, 随N0增加的带正电陷阱电荷也同步增强了屏蔽效应, 抑制了界面附近的空穴堆积. 图10(b)与图10(d)显示, 当Vg = –2 V时, 随着N0增大, 空穴浓度降低而呈正电性的陷阱电荷面密度升高, 表明带正电的陷阱电荷累积排斥了界面附近的空穴, 使积累端电容随N0增大而下降. 当栅压扫向正偏压时, EF逐渐远离指数型施主界面缺陷态的主要响应区, 缺陷态充放电贡献减弱, 曲线差异随之收敛.

      在1 MHz条件下(图9(d)), 由于能够响应交流信号的缺陷态比例降低, Cit的直接贡献被削减[9], 曲线差异主要归因于陷阱电荷屏蔽效应引起的偏移与伸展. 在–0.32 V附近(图9(e)), 仅有部分施主缺陷态处于可响应的能级范围并参与充放电, 电容随N0增大而略有抬升并伴随曲线拉伸. 而在–2 V(图9(f))下, 则由强屏蔽效应主导, 导致电容随N0反向降低.

      如前所述, 负偏压下指数型施主界面缺陷态以带正电陷阱电荷的屏蔽效应为主; 相应地, 正偏压下指数型受主界面缺陷态更易发生带负电陷阱电荷累积及其充放电响应, 进而调制反型过程与C-V特性曲线形貌. 如图11(a)所示, 在100 Hz条件下, 负偏压至约–0.08 V各曲线高度重合, 该区间指数型受主界面缺陷态对电容响应贡献甚微. 当栅压增大至0.4 V, 电容随指数型受主界面缺陷态峰值密度N0增大而上升, 且C-V曲线局部隆起加剧并向正偏压方向移动. 结合图11(b)可知, 此时EF进入指数型受主界面缺陷态的主要响应能级区, 引入额外Cit, 从而抬升总电容; 同时, N0增大导致带负电陷阱电荷密度随之增加, 增强电场屏蔽效应.

      如图12(a), (b)所示, 在Vg = 0.24 V与1.04 V下, 界面附近电子密度随N0增大而减小, 而界面呈负电性的陷阱电荷密度随之增大(图12(c), (d)), 佐证了带负电的陷阱电荷削弱栅极控制能力并抑制界面反型电子积累, 从而表现为C-V曲线隆起部分右移. 栅压进一步增大至0.56 V(图11(c))后, EF逐渐离开主要响应区, 缺陷态充放电贡献的Cit减弱, 曲线差异开始收敛; 在更高正偏压下, 电容上升主要由界面附近自由电子的增量所主导[40].

      在1 MHz条件下 (图11(d)), 指数型受主界面缺陷态引起的C-V曲线差异减弱. 表现为在0.24 V附近, 随N0增大C-V曲线轻微隆起, 而在高N0下, 陷阱电荷的屏蔽效应抑制能带下弯(图11(e)). 随着栅压继续增大, EF进一步远离指数型受主缺陷态的主响应区(图11(f)), 且可响应的缺陷态逐步趋于饱和, 因此C-V曲线差异收敛. 综上, 界面缺陷态的分布形式与类型决定了其频率响应的偏压依赖特性, 即离散能级界面缺陷态仅在特定偏压区间内引发显著响应, 而指数型连续分布界面缺陷态则在宽偏压范围内持续调制C-V特征. 唯有同时考量这两类机制, 方能完整揭示全偏压范围内界面缺陷态的作用机理.

    4.   结　论

    • 本文针对Al2O3/Y2O3/In0.53Ga0.47As MOS结构的频率色散与曲线形变[30], 构建了指数型连续分布与离散能级并存的界面缺陷态模型, 并建立栅压扫描、能带弯曲、缺陷态占据变化与C-V响应之间的内在联系. 结果表明, 价带侧指数型施主界面缺陷态主要通过调制负偏压下的空穴积累过程, 引起积累区电容衰减与C-V曲线拉伸; 导带侧指数型受主界面缺陷态主要影响正偏压下的反型层建立, 并在特定偏压区间形成局部隆起. 在费米能级扫过离散界面缺陷态的能级附近时, C-V曲线表现出更强的局部响应特征. 在高密度界面缺陷态面密度条件下, 累积的陷阱电荷, 增强了对栅电场的屏蔽效应, 致使能带弯曲更易受到钳制. 由此可见, 连续分布的界面缺陷态实现了对宽偏压范围的全局调制, 而离散能级界面缺陷态则主导了局部偏压区域的特异性响应. 因此, Ⅲ-Ⅴ MOS的C-V建模与参数提取须同时考虑界面缺陷态的分布形式、类型与其充放电动力学特性, 以实现对低频与高频响应的一致解释. 本工作建立了用于定量解析窄禁带半导体复杂界面物理的模型与分析框架, 并提出、验证了近带边指数分布与离散能级缺陷态相结合的综合界面缺陷态建模思路. 该框架为MOS界面缺陷态调制效应分析提供参考, 也为高性能红外探测器界面工艺优化及可靠性设计提供理论依据与设计指引.

    参考文献 (40)

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