本研究组目前共有以下2个研究方向
- 面向大容量、高带宽3D-DRAM的氧化物晶体管器件
发展大算力芯片是当前我国集成电路领域的主要目标之一，也是国际科技竞争的焦点和热点。其中，研制高密度、高带宽的三维动态随机存储器(3D-DRAM)是研制大算力芯片的关键之一。基于氧化铟(In2O3)体系的氧化物半导体晶体管因其具有良好的开关特性、易于三维集成的可制造性而成为未来3D-DRAM的重要选择。然而氧化铟晶体管的可靠性问题比较突出，在电应力作用下表现为较为严重的阈值电压偏移现象，阻碍了器件的发展和应用。本课题组侧重在理解和克服氧化物半导体器件可靠性问题开展研究，主要包括
(1) 新型高迁移率高可靠性氧化物材料设计: 在深入理解氧化铟体系中氧空位的形成机理基础上，本课题组开展了基于阴阳离子配位调控的氧化铟沟道材料设计研究，例如：通过利用氧化锗材料作为消耗氧空位的催化剂，通过向氧化铟中共溅射少量氧化锗，打破了器件迁移率和可靠性的竞争关系，在几乎不降低迁移率的同时大幅度提升了器件可靠性；课题组研究了基于新式退火工艺的结晶方法，实现了高质量的InGaO多晶材料，器件显示出良好的可靠性；
(2) 氧化物晶体管器件结构与工艺: 课题组提出了基于“白雪”层结构的氢原子阻挡层，申请了相关的发明专利；提出了基于催化原理的源漏结构和多层膜结构，实现了器件热稳定性和可靠性的提升；
(3) 器件模型与仿真: 课题组构建了半导体物性数据库，开展了基于AI工具的器件模型与仿真工作，为高性能、高可靠性器件的设计和应用提供关键支撑。
1.J. Wang, Z. Bai, K. Zhang, Z. Wu, D. Geng, Y. Xu, N. You, Y. Li, G. Yang, L. Li*, S. K. Wang*, M. Liu, Ge-doped In2O3: First Demonstration of Utilizing Ge as Oxygen Vacancy Consumer to Break the Mobility/Reliability Tradeoff for High Performance Oxide TFTs, VLSI Symp, (2024) T12.2.
2. J. Wang, K. Zhang, Y. Li, N. You, Y. Xu, L. Li, S.-K. Wang*, Effect of Atmosphere Dependent Annealing on the Electrical Characteristics of a-In2O3 Thin-film Transistors, IEEE Trans. Electron Device, 71, 1932 (2024)
- 半导体器件中的表面与界面物理
毫不夸张地说，表面与界面特性决定了现在绝大多数半导体器件的基本性能。以IGZO、 SiC、 III-V 等为代表的化合物半导体 MOS 器件在AI计算、先进存储、新能源汽车等领域有着广泛的应用，然而此类器件存在界面态过高的共性问题，严重影响了器件的性能和可靠性，并阻碍了上述器件的发展和应用。针对 MOS 界面态溯源难、调控难、制备难的问题，提出同位素示踪、配位场构造、微光波聚能 3 点创新，打造了 1 条技术链，在 SiC 等体系中实现了业内领先的 MOS 界面态和迁移率性能，为我国电力电子器件和高速芯片的发展提供了技术支撑。
(1) 同位素示踪：创新提出并发展了基于同位素示踪的界面态研究方法，使界面态溯源达到了原子级别的分辨能力，在多体系中得到系统验证，为揭示界面态起源提供了创新的研究手段；
(2) 配位场构造：将基于有效离子半径的配位调控理论应用于界面构造中，通过调整 MOS界面层的离子半径和配位组成，实现了 SiC、 III-V MOS 等多体系的低界面态、高可靠性栅介质的配位构造方案，界面态指标达到业内领先水平，其中复合栅介质配位构造的发明专利获得美国授权，并被 TSMC(台积电)等龙头企业的专利引用；
(3) 微光波聚能：基于微波聚能技术，创新研制高压微波等离子体氧化设备并应用于 SiC MOSFET 栅氧形成，实现了 SiC MOSFET 界面态密度量级的下降(5ˣ1010 cm-2eV-1@Ec-0.2eV)，该结果为当前业内最好水平；应用光波聚能技术，研制了基于双椭球反射聚能的快速退火炉，突破了石英系退火炉 1300度的壁垒，极限升温速率和极限温度分别达到了 1000 度/秒和 1800度，均为同尺寸样品(2cm)业内最高水平；
上述研究已经取得多项专利授权，并建立了自主知识产权保护体系。相关成果作为主要发明点之一获 2019 年北京市技术发明二等奖；成果应用方面，在工程物理研究院的联合研发项目牵引下，将低界面态MOS 技术应用于特殊结构的 MOS 器件研制，实现了器件抗冲击性能的大幅提升，器件开关比超出项目预期 1 个量级以上。
- N. N. You, X. Y. Liu, Y. Bai, P. Liu, Q. Zhang, Y. Zhang, S.-K. Wang*, Oxidation Kinetics of SiC in Microwave Oxygen Plasma, Applied Surface Science, 562, 150165 (2021).
- N. N. You, X. Y. Liu, Y. Bai, P. Liu, Q. Zhang, S.-K. Wang*, Demonstration of non-negligible oxygen exchange in the thermal oxidation of silicon carbide, Vacuum, 191, 110403 (2021).
- Z. Y. Peng, S. K. Wang*, Y. Bai, Y. D. Tang, X. M. Chen, C. Z. Li, K. A. Liu, X. Y. Liu*, High Temperature 1MHz Capacitance-Voltage Method for Evaluation of Border Traps in 4H-SiC MOS System, J. Appl. Phys. 123, 135302 (2018).
- S.-K. Wang*, Turbo charging the channel (Invited), Compound Semiconductor, 1, 22-30 (2016).