Et virtuelt substrat åbner vej til oxidfilm på silicium til påføring i 5G, MEMS, sensorer og kvanteberegning

Bevis på, at en ny evne til at dyrke tynde film af en vigtig klasse af materialer kaldet komplekse oxider vil, for første gang, gøre disse materialer kommercielt mulige, ifølge materialeforskere i Penn State.

Komplekse oxider er krystaller med en sammensætning, der typisk består af oxygen og mindst to andre, forskellige elementer. I deres krystallinske form og afhængigt af kombinationen af ​​elementer, komplekse oxider udviser en enorm række af egenskaber.

"Komplekse oxider kaldes nogle gange funktionelle materialer, fordi de bogstaveligt talt er gode til alt, " siger Roman Engel-Herbert, lektor i materialevidenskab og teknik, kemi og fysik, Penn State.

De særlige komplekse oxider, hans gruppe sigter mod, kaldes perovskitoxider. Krystalstrukturen - arrangementet af atomer - af dette materiale indeholder to positivt ladede ioner, der kan erstattes af næsten alle elementer i det periodiske system, der danner positivt ladede ioner. Afhængigt af hvilken type atomer der er substitueret, forskerne er i stand til at få de egenskaber, de er interesserede i, herunder magnetisme, ferroelektricitet, pyro- og piezoelektricitet - evnen til at føle og reagere på varme og til at omdanne elektricitet til mekanisk bevægelse eller omvendt, og endda superledning.

Indtil nu, evnen til at bruge disse materialer som tynde film til elektronik og sensorer er blevet forhindret af enten en meget langsom væksthastighed eller mangel på støkiometrikontrol, dvs. at holde mængden af ​​positivt ladede ioner i krystallen i det rigtige forhold. Det er endnu mere besværligt, at der hidtil ikke er fundet nogen kommercielt levedygtig integrationsstrategi til at kombinere disse funktionelle oxider med eksisterende halvlederteknologi på en skalerbar og kommercielt levedygtig måde.

"For industrien at drage fordel af de dramatiske gennembrud, vi har været vidne til inden for dette felt af kompleks oxidforskning, vi er nødt til på en eller anden måde at integrere disse tynde film i enheder ved hjælp af teknologier, der er kompatible med eksisterende industrielle fremstillingsprocesser, " siger Engel-Herbert. "For at gøre det har du ikke kun brug for det rigtige substrat, som du kan dyrke filmen på, du skal også sikre dig, at substrater er store nok til at omsætte teknologi til industriskala. Selvom sådanne substrater ikke eksisterer (endnu), nu er der en vej frem til at bygge bro over denne kløft."

For at løse dette problem, Engel-Herberts gruppe dyrker tykke lag af komplekse oxider oven på en siliciumwafer. Dette tykke lag, nogle gange omtalt som et 'virtuelt substrat' er strukturelt og kemisk kompatibelt med det målrettede komplekse oxid tynde filmlag, og efterligner således funktionen af ​​et rigtigt bulkoxidsubstrat. Denne materialestrategi kræver ikke kun præcis kontrol af vækstbetingelser for at sikre et strukturelt perfekt virtuelt substrat, der kan tjene som et

platform til at integrere funktionelle oxidfilm direkte på silicium, men også tilstrækkelig hurtige vækstrater. Denne metode, selvom det er veletableret inden for halvledervidenskab, har aldrig været anvendt på komplekse oxider. Den største barriere for dets udvikling har været den pinefulde langsomme væksthastighed for tynde film af komplekse oxider, omkring fire ångstrøm i minuttet, eller fire tiendedele af en nanometer. Ved så langsomme hastigheder ville vækst af et tilstrækkeligt tykt komplekst oxidlag kræve fem til seks timer.

"Hvis du vil bruge et virtuelt substrat i stedet for et konventionelt bulk enkeltkrystalsubstrat, du har brug for størrelsesordener højere vækstrater. Vores gennembrud viser, at vi nu kan skære denne tid ned fra flere timer til et par minutter og samtidig bevare perfekt kontrol over materialets kvalitet, " siger Engel-Herbert.

Gruppen har med succes demonstreret vækstrater på omkring to ångstrøm i sekundet. Deres resultater indikerer endvidere, at endnu højere vækstrater er mulige, baner vejen mod en kommercielt levedygtig integrationsstrategi for denne funktionelle klasse af materialer med silicium.

"Indtil videre er der kun brugt 3-tommers siliciumwafer, men det er kun fordi vores vækstkammer i laboratoriet ikke er indrettet til at håndtere større Si-wafer, " siger han. "Der er ingen grund til, at dette ikke kan gøres på 10-tommer kommercielle siliciumwafers."

En yderligere fordel udover en meget hurtigere væksthastighed er en stærkt reduceret omkostning til fremstilling af oxidsubstrater. Med priser en brøkdel af omkostningerne for aktuelt tilgængelige bulkoxidsubstrater, Forskere ville også have gavn af, fører til mere komplekse oxid-tyndfilmseksperimenter og derfor hurtigere fremskridt inden for dette forskningsområde. Da egenskaberne af funktionelle komplekse oxider spænder vidt, mulige fremtidige teknologier muliggjort af og drage fordel af skalerbare komplekse oxid-virtuelle substrater er udbredt:fra kvantecomputere baseret på superledende qubits, sensorer, aktuatorer og Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) hele vejen til frekvens agile enheder, der overvejes til fremtidige udsendelsesfrekvensstandarder i 5G-netværk.

Yderligere forfattere på papiret, udgivet online i Naturkommunikation , med titlen "Skalering af vækstrater for perovskitoxid virtuelle substrater på silicium, "er Ph.D.-studerende og hovedforfatter Jason Lapano, tidligere postdoktor Matthew Brahlek, tidligere kandidatstuderende Lei Zhang, nuværende ph.d. studerende Joseph Roth og nuværende postdoktor Alexej Pogrebnyakov.