随着多组分系统的器件结构的大小降低到原子或者纳米尺寸,界面结构和特性变得越来越重要,有时甚至会对整个结构的性质起决定作用,在纳米区域弄清包含界面的材料的电子和介电性质以及缺陷的影响就变得很重要。然而,许多用来计算材料整体介电系数的方法,对于计算具体地如表界面效应作用下的介电特性已不再适用;并且有关缺陷对介电特性的影响以及具体的影响机制尚不明确。因此,有必要研究能反映表界面效应的局域介电计算方法,以及具体的研究界面可能存在的缺陷对介电性能的影响。本文首先介绍了仿真软件CASTEP所采用的第一性原理计算方法,着重讨论了该方法的基本内容和关键的近似处理方法,接着在梳理国内外局域介电理论研究动态的基础上分别从非局域介电张量和微观极化率的角度对局域介电的计算进行分析,并根据实际计算的需要对基本理论公式进行分解并给出了目前针对局域介电的简化方法。本文的研究工作就在第一性原理和局域介电理论的基础上,围绕局域介电方法及其在MOS器件结构的应用展开。在对比分析了目前国内外局域介电方法的优缺点后,研究了基于能带结构的局域介电方法。在当前已有的体系整体介电与结构直接带隙函数关系的基础上,结合分层态密度理论(La-DOS),通过提取相关局域参数得到局域介电与局域直接带隙的表达式;同时在提取实验数据和理论分析的前提下,通过数值拟合得到局域介电函数关系。在分析介电系数电容特性的基础上,提出了基于分层电容的局域介电方法,采用介电系数的电容比值定义推导获得局域介电表达式。基于仿真计算结果对比分析了本文提出的局域介电方法,发现两种基于能带结构的局域介电方法一定程度上均存在理论依据不足、可靠性差等问题;分层电容方法则具有推导简单、不涉及具体的极化机制,应用范围广泛,效率和精确度可控等优点。对比不同局域介电方法的优缺点后,本文选用分层电容方法研究MOS结构的局域介电性能。采用分层电容方法仿真计算了不同悬挂键类型及悬挂键H钝化前后的局域介电特性,以探究界面缺陷对Si/SiO2介电性能的影响。对比分析了横向悬挂键H钝化前后、纵向悬挂键H钝化前后及横纵悬挂键对局域介电性能的影响,总结了不同类型变化产生的机制:局域光频介电主要由界面处Si的氧化态和键长决定,当键长分布一致时,由Si的氧化态决定,当Si的氧化态分布一致时,则有键长分布决定。为研究Si/HfO2界面不同氧空位类型对能带结构的影响,建立了Si/HfO2界面无缺陷、有O3(1Hf)空位、有O3(2Hf)空位、有O3(3Hf)空位、有O4(2Hf)空位、有平行O4(2Hf)空位以及有O4(4Hf)空位缺陷七种模型。仿真计算结果分析说明:当体系缺失一个氧原子时,其附近Hf的d轨道电子无法跟O的p轨道电子键合形成离子键,继而留在Hf的d轨道中,形成带隙态;带隙态大小与原氧空位氧原子相连Hf原子数相关,Hf原子数越大,未成键d轨道电子越多,带隙态愈大。为探究界面缺陷对Si/HfO2介电性能的影响,采用分层电容方法研究了Si/HfO2不同原子结构V3氧空位,不同位置V4氧空位,不同原子结构V4氧空位,HfO2体内V3、V4氧空位及界面处V3、V4氧空位的局域介电特性。对比分析得到:Si原子中裸露的未成键电子对体系周围介电性能起主要作用,Hf原子中裸露的未成键电子的作用则不明显;不同氧空位原子构型中,存在Si-O键和Hf-O键两种键长分布情况,但其中只有Si-O键长对体系介电性能起决定作用,Hf-O键长的作用并不明显;当原子构型不同时,氧空位对介电性能的影响主要由原子构型决定;当原子构型相同时,氧空位对介电性能的影响由氧空位成键键长决定。综上,本文研究提出了基于能带结构和分层电容的局域介电计算方法,建立了包含不同缺陷类型及不同缺陷位置的Si/HfO2原子结构模型,对比分析了不同局域介电方法方法的优缺点,采用分层电容局域介电方法研究了界面缺陷对Si/SiO2及Si/HfO2结构局域介电性能的影响并分析了具体的影响机制。本文研究对器件结构设计、工艺改进、失效机理分析、器件性能和可靠性的提高有着一定的指导意义。