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四十多年来，集成电路技术发展迅速，先后经历了小规模(SSI)，中规模(MSI)，大规模(LSI)，超大规模(VLSI)直到目前甚大规模集成(ULSI)电路发展阶段。随着集成度的提高，场效应管的尺度不断缩小，传统的SiO2栅介质层和多晶硅栅电极已不能适应下一代MOSFET。的发展要求。寻找合适的高介电常数材料作为栅介质已经迫在眉睫。Intel在45nm技术中已经使用了铪基栅介质材料和金属栅电极。
在之前的研究中发现，高介电常数(ZrO2)x(SiO2)1-x薄膜不同组分中，(ZrO2)0.6(SiO2)0.4有最佳的电学性能。本文研究采用脉冲激光沉积技术，分别在Si和高温半导体GaN上沉积了(ZrO2)0.6(SiO2)0.4组分薄膜，研究了该组分薄膜作为高介电常数(high-k)栅介质热稳定性、界面及电学性质。同时还研究了(ZrO2)0.8(SiO2)0.2组分薄膜在不同温度退火后的光学性质。主要结果如下：
1.采用脉冲激光沉积方法，在Si衬底上制备了6nm厚的(ZrO2)0.6(SiO2)0.4组分薄膜。XRD结果显示(ZrO2)0.6(SiO2)0.4组分薄膜具有良好的热稳定性。薄膜经过900℃120秒退火后依然保持非晶状态。在氮气氛中退火后得到了较小的等效氧化物厚度(EOT=1.44nm)。在氧气氛中退火可以有效降低薄膜的漏电流密度，在1V偏压下，漏电流密度为0.22A/cm2。
2.研究了(ZrO2)0.6(SiO2)0.4薄膜在高温半导体GaN上的电学及界面性质。结果显示，Pt/(ZrO2)0.6(SiO2)0.4/GaN结构在N2气氛中退火有较大的积累态电容，在O2中退火有较小的漏电流密度。X射线光电子能谱的结果显示，N2气氛中退火有利于(ZrO2)0.6(SiO2)0.4薄膜的热稳定性，并能有效的防止薄膜与GaN界面处的扩散，抑制含有Ga2O3的界面层的生成3研究了(ZrO2)0.8(SiO2)0.2组分薄膜的热稳定性，XRD结果显示700℃快速热退火后薄膜中出现了ZrO2四方相的衍射峰，900℃退火后的高分辨电镜照片发现了嵌在ZrSiO4非晶中的四方相ZrO2纳米晶。薄膜900℃退火后的光学带隙为5.21eV，在250nm波长激发下出现390nm的发射峰。认为5.21的光学带隙对应于ZrO2四方相纳米晶的导带与价带之间的跃迁，而390nm紫外发射源于ZrO2纳米晶导带下方的氧空位能级与价带上方的表面态能级之间的电子跃迁。