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自从20世纪50年代硅基集成电路(IC)诞生以来，以其为核心的的微电子工业得到了飞速的发展。由于科学技术的发展和日益扩大的市场需求，硅基集成电路的集成度越来越高，它经历了从最初的小规模到大规模和超大规模，一直到今天的特大规模集成电路的发展过程。根据摩尔定律预测IC芯片的集成度大体每隔18-24个月就增长一倍。然而，集成度的提高是以其核心器件—金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸逐渐减小为基础的。当栅极SiO2介电层的厚度减小到原子尺度大小时，由于量子效应的影响，SiO2将失去介电特性，因此必须寻找一种新的高介电常数(高K)的氧化物材料来代替它。
在本文中，本文利用激光分子束外延设备(LMBE)在Si衬底上制备了LaAlO3(LAO)、Ce掺杂的ZrO2和Gd2O3薄膜。同时，系统的对它们的微结构、热/时间稳定性、电学特性、以及薄膜与Si衬底之间的界面反应和界面控制进行了分析和测试。主要的研究成果如下：
1.实验研究了Si衬底上淀积非晶LAO薄膜的生长工艺，对Si衬底上淀积的LAO非晶薄膜的微结构、形貌、界面特性、电学特性进行了系统的分析测试。LAO薄膜在1000℃的氧气中退火1分钟后仍然是非晶的，说明LAO薄膜具有很好的热稳定性；原子力显微镜(AFM)测试表明薄膜表面达到原子尺度的光滑；研究了淀积条件(基底温度，氧偏压)以及后退火处理对于LAO/Si样品微结构和电学特性的影响；6.2nm的LAO薄膜显示了较好的电学性能，其等效厚度EOT为1.46nm，在+1V的偏压下漏电流密度为2.7mA/cm2，平带电压VFB为1.1V，相应的界面电荷密度Qs为7.3×1011/cm2。
本文还对氮掺杂的LAO薄膜(LaAlON)进行了研究。薄膜中的氮元素是均匀分柿的，而且氮元素在薄膜中的含量约为9％；氮的掺杂明显的提高了薄膜的电学性能、界面特性和热稳定性。
2.采用LMBE技术在Si衬底上淀积了Ce012Zr0.88O2薄膜(CZO)。Ce掺杂提高了ZrO2薄膜的晶化转变温度。XPS测试表明，在1000℃的氮气中退火1分钟后的CZO薄膜中Ce是以+3和+4价存在的，而且在CZO/Si界面处有Zr的硅酸盐产生；退火前16nm的CZO薄膜其等效厚度为3.28nm，在+1V偏压下漏电流密度为1.64mA/cm2；但是在氮气中退火后，薄膜的电学性能得到了提高，EOT降到了2.65nm，漏电流密度为0.32mA/cm2。
3.利用高分辨率透射电镜(HRTEM)和X射线光电子能谱(XPS)研究了在高温高氧压下沉积的非晶LAO与Si衬底之间界面层的微结构和组分。界面层的组份是复杂的SiLaAlO氧化物，而且组分随深度是变化的；研究发现在高温高氧压下LAO/Si之间的界面层是由于Si原子在LAO薄膜沉积过程中扩散形成的；本文提出了一个新的方法(两步法)来控制Si在LAO薄膜沉积时的扩散，并对其控制机制进行了研究；根据优化的沉积条件，本文初步制作出了以非晶LAO薄膜为栅极介电层的MOSFET器件，并对其电学性能进行了测试。
4.利用LMBE技术在Si衬底上进行了外延单晶氧化物薄膜的研究。利用SrO和SrTiO3作为缓冲层在硅衬底上外延出了单晶LAO薄膜，薄膜是立方相的；AFM测试表明薄膜表面达到了原子尺度的光滑，在10μm×10μm范围内其均方根粗糙度为0.227nm；薄膜中的氧空位对于LAO薄膜的质量、C-V和I-V特性有很大影响。
另外，本文利用晶化的Gd2O3层作为缓冲层在Si衬底上尝试进行了外延单晶Gd2O3薄膜的研究。利用高能电子衍射仪(RHEED)实时的监控薄膜的生长过程，薄膜是单斜相的；但HRTEM测试表明薄膜仍然是多晶的。