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采用激光分子束外延技术在Si基片上制各了非晶ZrO2、掺杂HfO2、多晶和非晶Er2O3栅介质薄膜以及非晶Ni-Al-O扩散阻挡层薄膜，构建了Al/Er2O3/Si/Al和Al/Er2O3/Ni-Al-O/Si/Al结构的MOS电容器。利用X射线衍射仪、反射式高能电子衍射仪、X射线反射、扫描探针显微镜、透射电子显微镜对样品的结构、表面形貌、界面粗糙度和剖面形貌等物理特性进行了研究。应用HP4194A复阻抗分析仪，HP4280电容测试仪和HP4142B半导体参数分析仪对样品的电学特性进行了测试分析。利用小信号等效电路方法计算了电容器的精确电容值，绘制出精确电容随偏压变化曲线，利用MATLAB拟合出理想曲线，二者比较得到平带电压和界面态密度，并进一步计算出栅介质的等效厚度和介电常数。研究发现：
Ni、Al元素掺入HfO2薄膜得到非晶(HfO2)x(Al2O3)y(NiO)1-x-y栅介质薄膜，结晶温度由500℃提升到700℃，提高了200℃。
不同沉积温度下制备的Er2O3栅介质薄膜，在400℃以下沉积的呈非晶态，400℃到840℃沉积的呈(111)方向高度择优取向。晶态Er2O3薄膜厚度从5.7 nm降到3.8 nm只减小了1.9 nm，漏电流密度从6.20×10-5A/cm2突增至6.56×10-4A/cm2，增长了一个数量级。而3.8 nm的非晶Er2O3薄膜漏电流密度却只有1.73×10-5 A/cm2，几乎比同等厚度晶态Er2O3薄膜低了38倍。高场下超薄Er2O3薄膜的漏电流主要来自于Fowler-Nordheim隧穿，而低场下超薄晶态Er2O3薄膜的较大漏电流是由晶粒边界的杂质缺陷引起，电极金属原子沿晶粒边界的扩散增强了高场下的栅极漏电流。
实验探索了非晶Ni-Al-O薄膜作为MOS电容器扩散阻挡层的可能性，结果表明：采用晶态Er2O3薄膜得到的Er2O3/a-Ni-Al-O栅介质垛表面均方根粗糙度为0.591 nm，呈原子级平滑。透射电镜下没有发现介质的互扩散和反应存在，界面粗糙度为0.30nm。7 nm厚的Er2O3/a-Ni-Al-O栅介质垛等效厚度1.50 nm，介电常数17.92。引入Ni-Al-O阻挡层薄膜后，Al/Er2O3/Ni-Al-O/Si/Al结构MOS电容器的栅极漏电流从1.0×10-2A/cm2降到4.1×10-6A/cm2，下降了3～4个数量级。证明非晶Ni-Al-O薄膜能够作为扩散阻挡层引入到高-κ MOSFET中，用以抑制氧的扩散，阻断漏电流通道，降低栅介漏电流。