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Chemistry

जर्मेनियम पर perovskite स्ट्रोंटियम titanate की epitaxial विकास परमाणु परत बयान के माध्यम से

Published: July 26, 2016 doi: 10.3791/54268
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1McKetta Department of Chemical Engineering, The University of Texas at Austin

Summary

इस काम के परमाणु परत बयान से जर्मेनियम substrates पर विकास और क्रिस्टलीय SrTiO 3 सीधे के लक्षण वर्णन के लिए प्रक्रियाओं का विवरण। प्रक्रिया धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए अर्धचालक पर monolithically आक्साइड एकीकृत करने के लिए एक सब-रासायनिक विकास पद्धति की क्षमता को दिखाता है।

Introduction

Perovskite सामग्री उनके अत्यधिक सममित घन या pseudocubic संरचना और गुणों के असंख्य होने के कारण तेजी से आकर्षक होते जा रहे हैं। इन सामग्रियों, सामान्य सूत्र एबीओ 3 के साथ, एक परमाणुओं 12 ऑक्सीजन परमाणुओं और बी परमाणुओं छह ऑक्सीजन के अणुओं के साथ समन्वय के साथ समन्वय से मिलकर बनता है। उनके सरल संरचना, संभावित तत्वों में से अभी तक विस्तृत श्रृंखला के कारण, perovskite सामग्री heterostructure उपकरणों के लिए आदर्श उम्मीदवार हैं। Epitaxial ऑक्साइड heterostructures ferromagnetic घमंड, 1 - 3 विरोधी / ferroelectric, 4 multiferroic, 5 - 8 superconductive, 7 -। 12 और magnetoresistive कार्यक्षमताओं 13,14 इन वांछनीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों में से कई इंटरफेसियल और इस तरह सामग्री के बीच स्वच्छ, अचानक बदलाव पर निर्भर हैं। लगभग समान संरचना और जाली स्थिरांक perovskite परिवार के सदस्यों के बीच साझा उत्कृष्ट एल के लिए अनुमतिattice मिलान और इसलिए, उच्च गुणवत्ता इंटरफेस। आसानी से जाली मिलान प्रत्येक के साथ ही अन्य कुछ अर्धचालकों के लिए, perovskite आक्साइड अब अगली पीढ़ी धातु ऑक्साइड अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स में कर दिया जा रहा है।

सिलिकॉन के साथ क्रिस्टलीय आक्साइड, पहले perovskite स्ट्रोंटियम titanate के साथ प्रदर्शन की अखंड एकीकरण, SrTiO 3 (STO), McKee और उनके सहयोगियों द्वारा, 15 perovskite-अर्धचालक समावेश के साथ इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की प्राप्ति की दिशा में एक महत्त्वपूर्ण कदम था। 19 ठेठ एमबीई विकास - आणविक बीम epitaxy (एमबीई) परत दर परत विकास की वजह से सिलिकॉन पर आक्साइड के epitaxial विकास के लिए प्राथमिक तकनीक के रूप में अच्छी तरह से ट्यून करने योग्य ऑक्सीजन आंशिक आवश्यक दबाव अनाकार, इंटरफेसियल 2 Sio गठन को नियंत्रित करने के लिए है 16। सी पर एसटू की (001) 2 Sio के सीनियर की मदद से deoxidation द्वारा हासिल की है। के तहत अति उच्च निर्वात (UHV) की स्थिति, एसआरओ अस्थिर और उप हैथर्मल वाष्पीकरण के JECT। चूंकि एसआरओ thermodynamically स्ट्रोंटियम धातु और 2 Sio अधिक पसंद है, सीनियर के बयान 2 Sio परत से ऑक्सीजन को साफ़ और जिसके परिणामस्वरूप एसआरओ सतह से evaporates। इस प्रक्रिया के दौरान सिलिकॉन की सतह से सतह कि dimerized सिलिकॉन परमाणुओं की पंक्तियों रूपों पर एक 2 × 1 पुनर्निर्माण अनुभव करता है। सुविधाजनक, आधा monolayer (माले) खंगाला सतह पर सीनियर परमाणुओं की कवरेज इन पंक्तियों डिमर द्वारा बनाई अंतराल में भरता है। 20 आधा एमएल कवरेज एक सुरक्षात्मक परत है कि, ऑक्सीजन दबाव से सावधान नियंत्रण के साथ, रोकने या इंटरफेसियल नियंत्रित कर सकते हैं 2 Sio प्रदान करता है बाद में ऑक्साइड विकास के दौरान गठन 21 -। 23 एसटू के मामले में (और इसी तरह के जाली मैच के साथ perovskites), जिसके परिणामस्वरूप जाली 45 डिग्री घुमाया जा रहा है कि इस तरह के विमान में (001) एसटू ‖ (001) और सी (100) एसटू ‖ (110) सी, सी के बीच रजिस्ट्री की इजाजत दी (3.84एक सी सी दूरी) और एसटू (STO पर केवल मामूली दबाने तनाव के साथ एक = 3.905 क)। इस रजिस्ट्री उच्च गुणवत्ता इंटरफेस और वांछित गुण वे अधिकारी के लिए आवश्यक है।

सिलिकन अपने इंटरफेसियल ऑक्साइड की उच्च गुणवत्ता के कारण औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण बन गया है, लेकिन 2 Sio उपयोग छोटे सुविधा आकार में बराबर प्रदर्शन करने में सक्षम सामग्री के लिए चरणबद्ध तरीके से समाप्त किया जा रहा है। 2 Sio अनुभवों उच्च रिसाव धाराओं जब अति पतली और इस डिवाइस के प्रदर्शन कम हो। छोटे आकार की सुविधा के लिए मांग उच्च अचालक स्थिरांक, कश्मीर के साथ perovskite ऑक्साइड फिल्मों, कि 2 Sio के लिए प्रदर्शन बराबर प्रदान करते हैं और 2 Sio से शारीरिक रूप से मोटा कारक कश्मीर /3.9 से कर रहे हैं के द्वारा किया जा सकता है। इसके अलावा, वैकल्पिक अर्धचालक, जर्मेनियम की तरह, तेजी से डिवाइस ऑपरेशन के लिए संभावित सिलिकॉन की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन और छेद mobilities के कारण प्रदान करते हैं। 24,25 जर्मेनियम भी एक interf हैacial ऑक्साइड, भू 2, लेकिन 2 Sio के विपरीत, यह अस्थिर और थर्मल deoxidation के अधीन है। इस प्रकार, 2 × 1 पुनर्निर्माण UHV के तहत साधारण थर्मल annealing द्वारा प्राप्त है, और एक सुरक्षात्मक परत सीनियर perovskite बयान के दौरान इंटरफेसियल ऑक्साइड विकास को रोकने के लिए अनावश्यक है। 26

एमबीई द्वारा की पेशकश की विकास की स्पष्ट आसानी बावजूद परमाणु परत बयान (ALD) ऑक्साइड सामग्रियों के वाणिज्यिक उत्पादन के लिए एमबीई तुलना में एक अधिक स्केलेबल और लागत प्रभावी तरीका प्रदान करता है। 27,28 ALD सब्सट्रेट कि आत्म हैं करने के लिए गैसीय व्यापारियों की खुराक को रोजगार सब्सट्रेट सतह के साथ उनकी प्रतिक्रिया में सीमित। इसलिए, एक आदर्श ALD प्रक्रिया में, अप करने के लिए एक परमाणु परत किसी भी अग्रदूत चक्र और एक ही अग्रदूत के निरंतर खुराक खुराक सतह पर अतिरिक्त सामग्री जमा नहीं करेंगे के लिए जमा किया जाता है। रिएक्टिव कार्यक्षमता एक सह अभिकारक के साथ बहाल है, अक्सर एक ऑक्सीडेटिव या reductive अग्रदूत (जैसे, पानी या अमोनिया)। पिछला काम ऐसे anatase TiO 2, 3 SrTiO, BaTiO 3, और LaAlO 3 के रूप में विभिन्न perovskite फिल्मों के ALD विकास का प्रदर्शन किया है, सी (001) कि चार यूनिट सेल मोटी एसटू एमबीई के माध्यम से उगाया साथ बफर किया गया था पर। 29 - 34 क्रिस्टलीय आक्साइड के विशुद्ध रूप से एमबीई विकास में, आधा साफ सी (001) पर सीनियर की monolayer कवरेज के दबाव तकनीक (~ 10 -7 Torr) के मूल निवासी के तहत 2 Sio गठन के खिलाफ एक बाधा प्रदान करने के लिए पर्याप्त है। हालांकि, ~ 1 Torr की खासियत ALD ऑपरेटिंग दबाव के तहत, पिछले काम दिखाया गया है कि एसटू के चार इकाई कोशिकाओं सी सतह ऑक्सीकरण से बचने के लिए आवश्यक है। 29

प्रक्रिया यहाँ विस्तृत इसके अलावा भू 2 की अस्थिरता इस्तेमाल करता है और एक एमबीई देसी बफर परत की आवश्यकता के बिना ALD के माध्यम से जर्मेनियम पर एसटू के अखंड एकीकरण को प्राप्त होता है। 26, जीई जीई अणु के बीच की दूरी (3.992 क) अपने पर (100) सतह एसटू साथ एक अनुरूप epitaxial रजिस्ट्री कि सी (001) के साथ मनाया जाता है के लिए अनुमति देता है। हालांकि यहाँ प्रस्तुत की प्रक्रिया जीई पर एसटू के लिए विशिष्ट है, मामूली संशोधनों के जर्मेनियम पर perovskite फिल्मों की एक किस्म का अखंड एकीकरण के लिए अनुमति हो सकती है। दरअसल, क्रिस्टलीय SrHfO 3 और BaTiO 3 फिल्मों के प्रत्यक्ष ALD विकास जीई पर सूचना दी गई है। 35,36 अतिरिक्त संभावनाओं संभावित गेट ऑक्साइड शामिल हैं, SrZr x तिवारी 1 एक्स ओ 3। 37 अंत में, ALD perovskite विकास के पिछले अध्ययनों पर निर्माण सी पर एक चार यूनिट सेल एसटू फिल्म पर (001) 29 - 34 चलता है कि किसी भी फिल्म को एसटू / सी प्लेटफार्म पर विकसित किया जा सकता है इस तरह LaAlO 3 और LaCoO के रूप में जीई पर एक ALD देसी एसटू बफर फिल्म, पर उगाया जा सकता है 3। 32,38 ऑक्साइड heterostructures और perovskite आक्साइड के बीच उल्लेखनीय समानता के लिए उपलब्ध संपत्तियों की भीड़ सुझाव है कि इस प्रक्रिया टी उपयोग किया जा सकताओ अध्ययन पहले से इस तरह के एक औद्योगिक रूप से व्यवहार्य तकनीक के साथ मुश्किल या असंभव विकास संयोजन।

चित्रा 1 निर्वात प्रणाली है, जो ALD, एमबीई, और एक 12 फुट हस्तांतरण लाइन से जुड़ा विश्लेषणात्मक कक्षों शामिल की योजनाबद्ध दर्शाया गया है। नमूने प्रत्येक कक्ष के बीच vacuo में स्थानांतरित किया जा सकता है। हस्तांतरण लाइन के आधारभूत दबाव तीन आयन पंप से लगभग 1.0 × 10 -9 Torr पर रखा जाता है। वाणिज्यिक कोण हल पराबैंगनी और एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) प्रणाली एक आयन पंप ऐसी है कि विश्लेषणात्मक कक्ष में दबाव पर लगभग 1.0 × 10 -9 Torr रखा जाता है के साथ बनाए रखा है।

ALD रिएक्टर 460 सेमी 3 के एक मात्रा और 20 सेमी की लंबाई के साथ एक आयताकार कस्टम निर्मित स्टेनलेस स्टील चैम्बर है। ALD रिएक्टर का एक योजनाबद्ध चित्रा 2 में दिखाया गया है। रिएक्टर एक गर्म दीवार, निरंतर पार प्रवाह प्रकार रिएक्टर है।रिएक्टर में रखा नमूने सब्सट्रेट के ऊपर की सतह और कक्ष की छत और सब्सट्रेट के नीचे और कक्ष के फर्श के बीच 1.9 सेमी के बीच 1.7 सेमी की मंजूरी है। एक हीटिंग टेप, एक समर्पित बिजली की आपूर्ति के द्वारा संचालित, निकास बंदरगाह से परे लगभग 2 सेमी के लिए प्रवेश से चैम्बर के चारों ओर लिपटा और रिएक्टर की दीवारों के तापमान नियंत्रण प्रदान करता है। एक तापमान नियंत्रक एक थर्मल हीटिंग टेप और बाहरी रिएक्टर की दीवार के बीच स्थित दंपती द्वारा उठाए गए एक तापमान माप के अनुसार हीटिंग टेप करने के लिए शक्ति इनपुट समायोजित करता है। रिएक्टर फिर पूरी तरह से एक variac द्वारा प्रदान की लगातार बिजली के तीन अतिरिक्त हीटिंग टेप, और एल्यूमीनियम पन्नी कवर करने के साथ शीसे रेशा ऊन की एक अंतिम परत वर्दी हीटिंग बढ़ावा देने के लिए इन्सुलेशन प्रदान करता है के साथ लिपटे है। variac की बिजली उत्पादन समायोजित किया जाता है जैसे कि रिएक्टर की सुस्ती तापमान (जब समर्पित बिजली की आपूर्ति बंद कर दिया है) लगभग 175 डिग्री सेल्सियस है। रिएक्टर क़दम हैsively परिवेशी वायु के माध्यम से ठंडा। सब्सट्रेट तापमान, रेखीय फिट समीकरण (1), जहां टी एस (डिग्री सेल्सियस) सब्सट्रेट और टी सी (डिग्री सेल्सियस) के तापमान रिएक्टर की दीवार के तापमान उपयोग कर की गणना सीधे एक सब्सट्रेट के साथ लगे मापने के द्वारा प्राप्त की है एक thermocouple। एक तापमान प्रोफ़ाइल ठंड गेट वाल्व हस्तांतरण लाइन के लिए रिएक्टर जोड़ता है के कारण चैम्बर के प्रवाह दिशा के साथ मौजूद है, तापमान प्रोफाइल प्रवाह दिशा को सीधा नगण्य है। तापमान प्रोफाइल नमूना के अग्रणी धार पर एक अमीर सीनियर बयान के निकास का कारण बनता है, लेकिन नमूना साथ रचना भिन्नता छोटे (नमूना के प्रमुख और अनुगामी किनारों के बीच एक 5% अंतर से कम) एक्सपीएस के अनुसार है। 31 रिएक्टर एक turbomolecular पंप और एक यांत्रिक पंप से जुड़ा है। ALD प्रक्रिया के दौरान, रिएक्टर यांत्रिक पंप द्वारा निकाला जाता है लगभग 1 Torr पर दबाव बनाए रखने के लिए। अन्यथा, reactoआर दबाव turbomolecular पंप से नीचे 2.0 × 10 -6 Torr बनाए रखा है।

(1) टी एस = 0.977T सी + 3.4

एमबीई चैम्बर लगभग 2.0 × 10 -9 Torr की या नीचे एक क्रायोजेनिक पंप से एक आधारभूत दबाव में बनाए रखा है। एमबीई कक्ष में विभिन्न प्रजातियों की आंशिक दबाव एक अवशिष्ट गैस विश्लेषक द्वारा नजर रखी है। एच 2 की पृष्ठभूमि के दबाव, चारों ओर 1.0 × 10 -9 Torr है हे 2 के उन जबकि, सीओ, एन 2, सीओ 2, और एच 2 हे, कम से कम 1.0 × 10 -10 Torr हैं। इसके अलावा, एमबीई चैम्बर भी RHEED छह बहाव कोशिकाओं, एक चार जेब इलेक्ट्रॉन बीम बाष्पीकरण, एक परमाणु नाइट्रोजन प्लाज्मा स्रोत और उच्च परिशुद्धता पीजोइलेक्ट्रिक रिसाव वाल्व के साथ एक परमाणु ऑक्सीजन प्लाज्मा स्रोत है, और एक प्रतिबिंब उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन के साथ सुसज्जित है ( ) सीटू विकास और क्रिस्टलीकरण टिप्पणियों में वास्तविक समय के लिए प्रणाली। सैममिसाल जोड़तोड़ सब्सट्रेट एक ऑक्सीजन प्रतिरोधी सिलिकॉन कार्बाइड हीटर का उपयोग 1000 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जा अनुमति देता है।

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Protocol

सीनियर 1. तैयारी और ALD प्रयोगों के लिए तिवारी व्यापारियों

  1. एक दस्ताना बॉक्स की ड्योढ़ी में साफ, सूखे saturators और नए व्यापारियों लोड। हवा और नमी के समुचित मिटाने सुनिश्चित करने के लिए दस्ताने बॉक्स की लोडिंग प्रक्रिया का पालन करें। मुख्य कक्ष में सामग्री स्थानांतरण।
    नोट: इस समूह में घर में निर्मित saturators (चित्रा 3 देखें) वाणिज्यिक खरीदा घटकों के साथ उपयोग करता है। Saturator विधानसभा का विवरण विशिष्ट अभिकर्मकों और उपकरणों की सूची में पाया जा सकता है।
  2. स्टोर स्ट्रोंटियम अग्रदूत (स्ट्रोंटियम बीआईएस (triisopropylcyclopentadienyl) [सीनियर (मैं पीआर 3 सीपी) 2]) और टाइटेनियम अग्रदूत (टाइटेनियम tetraisopropoxide [तिवारी (हे मैं पीआर) 4], TTIP) एक निष्क्रिय वातावरण में (जैसे, एक दस्ताना बॉक्स ) निर्माता द्वारा प्रदान की मूल पैकेजिंग खोलने के बाद।
    नोट: इस समूह में एक नमी के स्तर का कोई जी के साथ एक glovebox का उपयोग करता है5 पीपीएम से reater।
  3. Saturator में अग्रदूत लोड कि इस तरह के अग्रदूत Saturator (लगभग 5 ग्राम) का गिलास हिस्से की लगभग 2/3 रह रहे हैं।
  4. saturators पुनः और एक अच्छा रिसाव तंग सील हासिल की है सुनिश्चित करते हैं।
    नोट: इस समूह में धातु गैस्केट चेहरा सील फिटिंग का उपयोग करता रिसाव तंग जवानों को प्राप्त करने के लिए।
  5. दस्ताना बॉक्स से भरा saturators उतारना और ALD कई गुना से भरा saturators कनेक्ट।
    नोट: लोड व्यापारियों एक विस्तारित अवधि में कई बार इस्तेमाल किया जा सकता है। इस समूह की प्रणाली में व्यापारियों आम तौर पर हर छह महीने refilling के रूप में वे भस्म हो जाते हैं की आवश्यकता होती है। सीनियर (मैं पीआर 3 सीपी) 2 दोनों RT और इस अध्ययन के लिए ऑपरेटिंग तापमान पर एक भूरे रंग के तरल है (130 - 140 डिग्री सेल्सियस)। TTIP एक साफ तरल है। जब TTIP कमजोर होती जाती है, आम तौर पर नमी और / या वायु प्रदूषण के कारण, अग्रदूत एक सफेद ठोस में बदल जाएगा। इसमें कोई visi किया गया हैसीनियर लिए अग्रदूत गिरावट के ble सूचक (मैं पीआर 3 सीपी) 2 इस समूह द्वारा मनाया। सीनियर अग्रदूत गिरावट आम तौर पर एक repeatable ALD वृद्धि की है कि सीनियर इस्तेमाल में सीनियर सामग्री की एक महत्वपूर्ण कमी (10% से अधिक) से पता चला है (मैं पीआर 3 सीपी) 2।

2. सफाई जीई (001) सब्सट्रेट

  1. एक जीई (001) सब्सट्रेट (18 मिमी × 20 मिमी), पॉलिश ऊपर की ओर का सामना करना पड़ रहा है, एक छोटे बीकर (25-50 मिलीलीटर) में रखें। एसीटोन के साथ के बारे में 1 सेमी ऊंचाई को बीकर भरें। एक स्नान sonicator और 10 मिनट के लिए sonicate में बीकर रखें।
    नोट: इस समूह में एकल पक्ष पॉलिश 4-जीई वेफर्स, एक dicing देखा का उपयोग कर 18 × 20 मिमी 2 टुकड़ों में काट उपयोग करता है। भारी डाल दिया गया एन-प्रकार जीई का प्रयोग करता है, तो फिल्म की माप बिजली की जरूरत है (इस अध्ययन ρ ≈ 0.04 Ω-सेमी के साथ एस.बी.-डाल दिया गया जीई वेफर्स उपयोग करता है), अन्यथा सभी डोपिंग के स्तर पर और dopant प्रकार स्वीकार्य हैं।
  2. बर्बादी कंटेनर में एसीटोन के बहुमत छानना, देखभाल उंडेल या फ्लिप जीई सब्सट्रेट करने के लिए नहीं ले रही है। isopropyl शराब (आईपीए) के साथ बीकर की दीवारों कुल्ला और लगभग 1 सेमी ऊंचाई को भरने के लिए। बर्बादी कंटेनर में आईपीए के बहुमत डालो, एक और 10 मिनट के लिए आईपीए के साथ 1 सेमी बीकर, और sonicate फिर से भरना।
  3. 2.2 कदम दोहराएँ, लेकिन विआयनीकृत पानी के साथ आईपीए की जगह।
  4. चिमटी के साथ बीकर से सब्सट्रेट निकालें। एक नाइट्रोजन बंदूक या अन्य सूखे अक्रिय गैस के प्रवाह के साथ सब्सट्रेट सूखी।
  5. यूवी ओजोन क्लीनर में सब्सट्रेट प्लेस और 30 मिनट के लिए क्लीनर चला रहे हैं।
  6. यूवी ओजोन सफाई के बाद, तुरंत वैक्यूम सिस्टम में सब्सट्रेट लोड।

3. लोड हो रहा है जीई सब्सट्रेट

  1. लोड ताला में हस्तांतरण लाइन नमूना वाहक गाड़ी ले जाएँ। लोड ताला अलग करने के लिए गेट वाल्व बंद करें।
  2. लोड ताला turbomolecular पंप बंद करें और लोड ताला बाहर निकलने के लिए नाइट्रोजन लाइन खुला। पूर्ण3.3 चरण जबकि लोड ताला पूरी तरह से बाहर निकलने के लिए के लिए इंतज़ार कर रहे।
  3. , नीचे का सामना करना पड़ सब्सट्रेट, पॉलिश पक्ष एक 20 मिमी × 20 मिमी नमूना धारक में रखें।
    नोट: सभी बयानों नमूना नीचे का सामना करना पड़ के साथ प्रदर्शन कर रहे हैं। सुनिश्चित करें सब्सट्रेट धारक के नीचे से भरा है; अन्यथा RHEED प्रयोगों कठिनाई का अनुभव कर सकते हैं और फिल्मों में समान रूप से जमा नहीं हो सकती है। एक नमूना धारक इस समूह का उपयोग करता है 4 चित्र में दिखाया गया है।
  4. लोड ताला खोलने के बाद यह पूरी तरह से निकाल लिया है। खुली गाड़ी स्थिति के चैनलों के साथ नमूना धारक के टैब संरेखित और जगह में इसे कम करके एक खुला वाहक गाड़ी की स्थिति में नमूना धारक रखें।
  5. लोड ताला बंद करो और लोड ताला turbomolecular पंप पर बारी। नाइट्रोजन लाइन को बंद करें।
  6. रुको जब तक लोड ताला में दबाव लगभग 5.0 × 10 -7 Torr हस्तांतरण लाइन के माध्यम से लोड ताला गेट वाल्व खोलने और गाड़ी चलती से पहले।

4. जीई deoxidization

  1. एमबीई कक्ष में जीई सब्सट्रेट स्थानांतरण।
  2. 20 में 550 डिग्री सेल्सियस के लिए जीई सब्सट्रेट तापमान रैंप डिग्री सेल्सियस • मिनट -1 और फिर 700 डिग्री सेल्सियस के लिए 10 डिग्री सेल्सियस • मिनट -1। 1 घंटे के लिए 700 डिग्री सेल्सियस पर नमूना धारण करने के बाद, एक 30 डिग्री सेल्सियस • मिनट -1 रैंप दर के साथ 200 डिग्री सेल्सियस के लिए नमूना शांत।
  3. प्रतिनिधि परिणाम खंड में वर्णित के रूप में 2 × 1 खंगाला सतह पुष्टि करने के लिए RHEED का प्रयोग करें। 26,39
  4. वैकल्पिक: उपयोग एक्सपीएस सुनिश्चित करने के लिए कि जीई (001) सब्सट्रेट आक्साइड के स्वतंत्र है (धारा 8 में वर्णित)।

5. पतला फिल्मी ALD जीई सब्सट्रेट पर एसटू की वृद्धि

  1. 225 डिग्री सेल्सियस के लिए ALD रिएक्टर के तापमान को समायोजित करें।
  2. हीट सीनियर (मैं पीआर 3 सीपी) 2 130 डिग्री सेल्सियस और 40 डिग्री सेल्सियस के लिए TTIP। आर टी (20 और 25 के बीच डिग्री सेल्सियस) पर पानी बनाए रखें। ALD प्रणाली में जल वाष्प प्रवाह को विनियमितसुई Saturator से जुड़ी ऐसी है कि पानी की खुराक दबाव के आसपास Torr है 1 वाल्व के माध्यम से। बयान प्रक्रिया के दौरान स्थिर अग्रदूत तापमान बनाए रखने के।
  3. ALD रिएक्टर कि 225 डिग्री सेल्सियस के लिए छोड़ देते किया गया है vacuo में नमूना हस्तांतरण और नमूना थर्मल संतुलन तक पहुंचने के लिए 15 मिनट के लिए प्रतीक्षा करें।
  4. यांत्रिक पंप करने के लिए turbomolecular पंप से ALD रिएक्टर के निकास बंदरगाह स्विच।
  5. प्रवाह नियंत्रक को चालू अक्रिय गैस का प्रवाह (इस समूह आर्गन उपयोग करता है) की अनुमति है। पूरे विकास की प्रक्रिया के दौरान 1 Torr का एक ऑपरेटिंग दबाव बनाए रखें।
  6. तिवारी को सीनियर की इकाई चक्र अनुपात निर्धारित 2 होने के लिए: 1। पानी की एक-1 सेकंड खुराक, एक और 15 सेकंड आर्गन शुद्ध के द्वारा पीछा सीनियर या तिवारी अग्रदूत का एक 2 सेकंड खुराक, 15 सेकंड आर्गन शुद्ध के द्वारा पीछा करने के लिए सीनियर और तिवारी की इकाई चक्र निर्धारित किया है, और फिर।
  7. वांछनीय मोटाई को प्राप्त करने के लिए यूनिट चक्रों की संख्या को समायोजित करें। सुनिश्चित करें ALD साइकिल चालन के अनुक्रम में शामिल है किसंभव के रूप में अलग-अलग सीनियर या तिवारी इकाई चक्र के रूप में छोटे पुनरावृत्ति। उदाहरण के लिए, एक 2: 3 सीनियर करने वाली तिवारी साइकिल चालन के अनुक्रम जब 1-सीरिज, 1-तिवारी, 1-सीरिज, 2-तिवारी, बल्कि 2-सीरिज से 3 तिवारी द्वारा पीछा के रूप में निष्पादित बेहतर परिणाम प्राप्त करेंगे।
    नोट: इस समूह में 36 यूनिट चक्र इस्तेमाल किया जीई पर एक 2 एनएम मोटी एसटू फिल्म जमा करने के लिए।
  8. वैकल्पिक: उपयोग एक्सपीएस फिल्म रचना (धारा 8 में वर्णित) को सत्यापित करने के लिए।

6. एसटू फिल्म की annealing

  1. Annealing के चेंबर में vacuo में जमा नमूना हस्तांतरण।
  2. की दर से 650 डिग्री सेल्सियस के लिए नमूना गर्मी 20 डिग्री सेल्सियस • मिनट UHV की स्थिति (10 -9 - 10 -8 Torr) के तहत -1। 5 मिनट के लिए 650 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर रखें, और तब एक ही दर पर 200 डिग्री सेल्सियस के लिए नमूना शांत।
    नोट: प्रतिनिधि परिणाम खंड में वर्णित के रूप में उपयोग RHEED, annealing परिणाम का मूल्यांकन करने के लिए 26,39।

7. फूएसटू के rther विकास

  1. दोहराएँ धारा 5.1 - 5.5।
  2. 1 सेट के बीच करने के लिए यूनिट चक्र अनुपात: 4 और 1: 3। प्रत्येक इकाई के चक्र के भीतर एक ही खुराक / मिटाने घटक को बनाए रखें। सिद्धांतों 5.6 कदम में उल्लेख के अनुसार अनुक्रम सेट करें।
  3. इरादा मोटाई को प्राप्त करने के लिए यूनिट चक्रों की संख्या को समायोजित करें।
  4. प्रोटोकॉल की धारा 6 के अनुसार जमा फिल्म पानी रखना।

8. एक्सपीएस माप

  1. एक्सपीएस विश्लेषणात्मक चैम्बर में नमूना लोड और एक्स-रे स्रोत पर बारी। सभी उचित फाटकों सुनिश्चित / दरवाजे आकस्मिक एक्स-रे के लिए जोखिम को रोकने के लिए बंद हो जाती हैं।
  2. तत्वों (ऊर्जा पर्वतमाला बाध्यकारी) के विश्लेषण के लिए वांछित चयन करके एक नया स्कैन बनाएँ, या एक पूर्व मौजूदा कार्यक्रम स्कैन का चयन करें।
    नोट: बंधन ऊर्जा पर्वतमाला मैन्युअल बदला जा सकता है अगर जरूरत है। संकेत करने वाली शोर अनुपात अनुकूलन करने के लिए इस तरह के पास ऊर्जा, उत्तेजना ऊर्जा, कदम ऊर्जा, और कदम समय के रूप में अन्य सेटिंग्स, सेट, लेकिन रहने केसभी मौलिक स्कैन भर में लगातार मौलिक स्पेक्ट्रा के बीच तुलनीयता बनाए रखने के लिए। तालिका 1 इस समूह द्वारा इस्तेमाल के लिए स्कैन सेटिंग्स पता चलता है।
  3. अगर किसी भी चार्ज एक ज्ञात तत्व के चोटी के बंधन ऊर्जा, 531 eV पर जैसे हे 1s देख कर सब्सट्रेट पर हो रहा है की जाँच करें।
    नोट: यदि चोटी के अपने ज्ञात मूल्य से स्थानांतरित कर दिया गया चार्ज होने वाली है।
  4. एक्सपीएस कक्ष में बाढ़ बंदूक डालें और यदि चार्ज हो रहा है बाढ़ बंदूक पर बारी। तो यह है कि चुने हुए शिखर इसकी सही बंधन ऊर्जा को वापस स्थानांतरित कर दिया है बाढ़ बंदूक ऊर्जा उत्पादन और नमूना से दूरी समायोजित करें।
  5. क्षेत्र एक ज्ञात तत्व के चोटी के तहत मनाया (आमतौर पर 531 eV पर हे 1 चोटी) को अधिकतम करने के लिए मंच स्थिति में हेरफेर।
  6. एक्सपीएस स्कैन चलाने के लिए और डेटा इकट्ठा।
  7. एक्स-रे स्रोत को बंद कर दें और XPS से नमूना निकालें।

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Representative Results

आंकड़े 5 और 6 शो ठेठ एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रा और RHEED छवियों को एक साफ और deoxidized जीई सब्सट्रेट से। एक सफलतापूर्वक-deoxidized जीई सब्सट्रेट अपने "स्माइली चेहरा" 2 × 1 खंगाला RHEED पैटर्न की विशेषता है। 26,39 इसके अलावा, किकुची लाइनें भी RHEED छवियों, जो साफ-सफाई और नमूने के लंबी दूरी के आदेश का संकेत में मनाया जाता है। 40 कुशाग्रता और विवर्तन पैटर्न की तीव्रता भी सतह की सफाई प्रदर्शित करता है। जीई 3 डी एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रम, ऑक्सीकरण जीई चोटियों से मुक्त होना चाहिए साथ जीई 0 पीक 30 eV में मनाया। यह भी 531 eV पर एक हे 1 एस सुविधा के अभाव से इसकी पुष्टि की जा सकती है।

ALD देसी एसटू फिल्म बयान पर बेढब और इस तरह के चित्र 6B के रूप में एक धुंधला RHEED छवि के माध्यम से एक उदाहरण प्रस्तुत किया है, (यानी, सीनियर / (सीनियर + तिवारी)) के लिए सीनियर के बीच एक अनुपात के लिए करना है। फिल्म रचना उचित रिश्तेदार संवेदनशीलता कारकों और अन्य मानकों के साथ एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रा के एकीकरण के माध्यम से सत्यापित किया जा सकता के रूप में प्रोटोकॉल के धारा 8 में दिखाया गया है। इस समूह में, 41 के साथ ही मानकों के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध perovskite क्रिस्टल का उपयोग दोनों एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी की पुस्तिका परामर्श करके टुटना एट अल। द्वारा मानकों को प्राप्त किया। सीनियर और तिवारी (यानी, जब फिल्म तिवारी अमीर हो या सीनियर / (सीनियर + तिवारी) 0.57 से अधिक है) के बीच एक गरीब stoichiometric अनुपात गरीब स्फटिकता, या यहां तक कि उसके अभाव, annealing कदम के बाद में परिणाम होगा।

एक बारएसटू फिल्म annealed किया गया है, उसके crystallinity, RHEED पैटर्न के माध्यम से देखा जा सकता है के रूप में आंकड़े 6C और 6D में दिखाया गया है। जीई पर अच्छा epitaxial विकास के साथ एक फिल्म की एसटू RHEED पैटर्न तेज लकीर पैटर्न का प्रदर्शन करना चाहिए। जमा एसटू फिल्म की स्फटिकता भी एक्स-रे विवर्तन द्वारा की पुष्टि की जा सकती है। चित्रा 7 22.8 डिग्री पर एक्स-रे विवर्तन एसटू (001) की विशेषता चोटियों के साथ जीई पर epitaxial एसटू के पैटर्न को दर्शाया गया है, एसटू (002) 46.5 डिग्री पर , और जीई (004) 66.0 डिग्री पर। फिल्म के epitaxial प्रकृति सीधे पार के अनुभागीय उच्च संकल्प संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HRTEM) द्वारा की पुष्टि की जा सकती है। चित्रा 8 एसटू और जीई के बीच उच्च गुणवत्ता epitaxial रजिस्ट्री के साथ ही परतों के बीच अचानक परिवर्तन से पता चलता है।

जीई पर epitaxial एसटू के विद्युत माप भी आयोजित किया जा सकता है। चित्रा 9 समाई वोल्ट से पता चलता हैउम्र (सीवी) और वर्तमान वोल्टेज (चतुर्थ) पर एसटू / n + जीई (001) एक 50 माइक्रोन त्रिज्या तिवारी / एयू शीर्ष इलेक्ट्रोड जमा करके बनाई गई एक धातु इन्सुलेटर-अर्धचालक (राज्यमंत्री) संधारित्र की माप। चित्रा 9A से एक 15 एनएम एसटू फिल्म के सीवी माप का सुझाव संरचना की समाई 5.3 μF / 2 सेमी है। एसटू फिल्म की निरंतर ढांकता हुआ इसलिए लगभग 90 है और एक समान मोटाई ऑक्साइड पैदावार कम से कम 0.7 एनएम। चित्रा 9B चलता राज्यमंत्री संधारित्र के रिसाव वर्तमान घनत्व लगभग 10 ए / 0.7MV / सेमी के एक आवेदन के क्षेत्र में 2 सेमी है। उच्च रिसाव वर्तमान घनत्व एसटू और जीई के बीच ऑफसेट चालन बैंड की कमी के कारण उम्मीद की जानी चाहिए। इस तरह के अल-डाल दिया गया एसटू और स्ट्रोंटियम hafnate (एसएचओ) के रूप में जीई पर अन्य फिल्मों, जमा, रिसाव वर्तमान घनत्व में सुधार। 26,35 वास्तव में, एसएचओ उसी में कम से कम 10 -5 ए / 2 सेमी की वर्तमान रिसाव घनत्व देता है एप्लाइड क्षेत्र।

: रख-together.within-पेज = "1"> आकृति 1
निर्वात प्रणाली एमबीई, ALD, और एक अति उच्च निर्वात हस्तांतरण लाइन से एक साथ जुड़े विश्लेषणात्मक कक्षों, vacuo नमूना हस्तांतरण में शामिल की इजाजत दी चित्रा 1. जुड़ा निर्वात प्रणाली के योजनाबद्ध।। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. ALD रिएक्टर डिजाइन। ALD चैम्बर 460 सेमी 3 के एक मात्रा और 20 सेमी की लंबाई है। वाहक गैस रिएक्टर के लिए saturators से व्यापारियों को बचाता है, और निकास गैसों turbomolecular पंप पोर्ट के माध्यम से हटा रहे हैं। नमूना रिएक्टर अंत गैस इनलेट के विपरीत से प्रतिक्रिया क्षेत्र को सौंप दिया है। e.com/files/ftp_upload/54268/54268fig2large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. ALD अग्रदूत Saturator। (ए) योजनाबद्ध इस समूह के कस्टम बनाया Saturator के साथ ही अन्य ALD कक्ष में अग्रदूत प्रसव के लिए इस्तेमाल किया भागों। (बी) और (सी) Saturator के ऊपर और नीचे के भाग में क्रमश: दिखाने के लिए। दो भागों एक वीसीआर फिटिंग के माध्यम से जुड़े हुए हैं, और जब Saturator भरने disassembled रहे हैं। सभी भागों एक Pyrex के लिए स्टेनलेस स्टील एडाप्टर के अपवाद के साथ, 316 स्टेनलेस स्टील के बने होते हैं, और बट वेल्डिंग के माध्यम से एक साथ जुड़े हुए हैं। इन हिस्सों की विस्तृत जानकारी विशिष्ट अभिकर्मकों और उपकरणों की सूची में पाया जा सकता है।rget = "_blank"> कृपया यहाँ यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4. वैक्यूम सिस्टम नमूना धारक। (ए) एक नमूना धारक और एक 18 × 20 मिमी 2 जीई सब्सट्रेट। (बी) जीई सब्सट्रेट लोड के साथ एक नमूना धारक। ध्यान दें कि पॉलिश नीचे की ओर का सामना करना पड़ रहा है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5. एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रा। (ए) जीई 3 डी, (बी) हे 1 एस, (सी) 3 सीनियर डी, और (डी) तिवारी 2 पी से पहले ALD विकास (ठोस लाललाइन), 36 यूनिट चक्र (~ 2 एनएम STO) (धराशायी भूरे लाइन) के बाद, और 155 यूनिट चक्र (~ 8 एनएम STO) (ठोस काला लाइन) के बाद। यहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा 6 RHEED छवियों (ए) थर्मल deoxidation के बाद एक साफ जीई सब्सट्रेट, (बी) के दूसरे एसटू बयान (155 इकाई चक्र, के रूप में जमा) के बाद, और (सी) -। (डी) 650 डिग्री सेल्सियस पर annealing के बाद। किरण के साथ [110] और गठबंधन किया है [100] (सी) और (डी) के लिए दिगंश, क्रमशः। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


चित्रा 7. एक्स-रे विवर्तन पैटर्न। एक 15 एनएम मोटी एसटू 225 डिग्री सेल्सियस पर जीई (001) पर ALD की वृद्धि हुई फिल्म के लिए विवर्तन पैटर्न। इनसेट:। एसटू के आसपास की अवस्था कमाल (002) चोटी कृपया यहाँ यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें।

आंकड़ा 8
8 चित्रा क्रॉस अनुभागीय उच्च संकल्प संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ। HRTEM जीई पर उच्च गुणवत्ता एसटू दर्शाया गया है। इनसेट:। चुने हुए क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन सब्सट्रेट और फिल्म के बीच epitaxial रजिस्ट्री दिखा पैटर्न यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


9 चित्रा CV और एसटू के साथ एक राज्यमंत्री संधारित्र के चतुर्थ वक्र। (ए) एन + जीई (001) ALD से, और (बी) वोल्टेज पूर्वाग्रह एक ठेठ Au से मापा के एक समारोह के रूप में गेट रिसाव वर्तमान घनत्व पर एक 15 एनएम मोटी एसटू फिल्म के लिए वोल्टेज पूर्वाग्रह के एक समारोह के रूप में विशिष्ट समाई (तिवारी ) / एसटू / जीई संरचना। धातु इन्सुलेटर-अर्धचालक संधारित्र संरचना एसटू फिल्म पर 50 माइक्रोन त्रिज्या तिवारी / एयू शीर्ष इलेक्ट्रोड जमा करके बनाया गया था। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

क्षेत्र का नाम लेंस मोड दर्रा ऊर्जा (ईवी) Excitation ऊर्जा (ईवी) ऊर्जा मोड ऊर्जा (ईवी) ऊर्जा कदम (एमईवी) कदम समय (सेकंड) कदम
कम उच्च
सर्वेक्षण स्कैन हस्तांतरण 200 1486.6 बाध्यकारी 0 1300 800 0.286 1657
सीनियर 3 डी हस्तांतरण 100 1486.6 बाध्यकारी 127.805 140.1942 50 0.157 499
तिवारी 2p हस्तांतरण 100 1486.6 बाध्यकारी 449 471 50 0.157 691
हस्तांतरण 100 1486.6 बाध्यकारी 515 545 50 0.157 851
सी 1s हस्तांतरण 100 1486.6 बाध्यकारी 277.5 302.5 50 0.157 751
जीई 3 डी हस्तांतरण 100 1486.6 बाध्यकारी 24 36 50 0.157 491

तालिका 1 एक्सपीएस स्कैन सेटिंग्स।

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Discussion

जीई सब्सट्रेट की साफ-सफाई सफलता की कुंजी जब ALD का उपयोग कर perovskite epitaxial बढ़ रहा है। समय की राशि एक जीई सब्सट्रेट degreasing और deoxidization, और deoxidization और एसटू बयान के बीच के समय की राशि के बीच खर्च करता है, कम से कम रखा जाना चाहिए। नमूने अभी भी UHV पर्यावरण के तहत दूषित पदार्थों को जोखिम के अधीन हैं। लंबे समय तक निवेश, आकस्मिक कार्बन या जीई reoxidation की पुनर्निक्षेपण को जन्म दे सकती गरीब फिल्म विकास में जिसके परिणामस्वरूप। इस समूह में कार्बन को दूर करने के लिए एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया degreasing प्रक्रिया (एसीटोन / आईपीए / बाद में यूवी ओजोन जोखिम के साथ डि-पानी में sonication) कार्यरत है। UHV की शर्तों के तहत एक और प्रक्रिया का उपयोग कर ऑक्सीजन प्लाज्मा भी कार्बन को दूर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। 39 ऑक्सीजन प्लाज्मा भी जीई सब्सट्रेट की सतह oxidize होगा, लेकिन बाद में एक ऑक्साइड जीई deoxidization प्रोटोकॉल में हटाया जा सकता है। जियो 2 प्रोटोकॉल के थर्मल deoxidation यहाँ प्रस्तुतइस अध्ययन में perovskite विकास के प्रयोजनों के लिए प्रभावी है।

सब्सट्रेट की साफ-सफाई के अलावा, यह थोड़ा सीनियर अमीर stoichiometry, आदर्श 0.53 और 0.54 सीनियर / (सीनियर + तिवारी) के बीच प्राप्त करने के लिए, क्रम में annealing चरण के दौरान क्रिस्टलीकरण प्राप्त करने के लिए आवश्यक है। साथ सीनियर / (सीनियर + तिवारी) 0.48 और 0.57 के बीच की फिल्मों सभी विभिन्न विस्तार करने के लिए मणिभ सकता है, इस समूह प्रयोगात्मक साथ सीनियर / (सीनियर + तिवारी) को एसटू फिल्मों 0.53 और 0.54 Crystallize के बीच सबसे बड़ी आसानी से मिल गया है। यही कारण है, शुरुआत क्रिस्टलीकरण तापमान ramping (चरण 6.2) अन्य रचनाओं के साथ फिल्मों की तुलना में कम तापमान पर मनाया जा सकता है। सीनियर और तिवारी के बीच stoichiometry इस तरह के अग्रदूत के तापमान, खुराक और मिटाने समय, सब्सट्रेट तापमान, और इकाई चक्र अनुपात के रूप में जमा की प्रक्रिया के विभिन्न मापदंडों से निर्धारित होता है। इन मानकों के चयन काफी हद तक प्रत्येक ALD अग्रदूत की प्रतिक्रिया कैनेटीक्स पर निर्भर करता है। बहुत हो गया अग्रदूत वाष्प दबाव हैपूरी सतह कवरेज और अग्रदूत अणुओं के सोखना की ओर संतुलन ड्राइव करने के लिए रिएक्टर चैम्बर में की जरूरत है। एक उपयुक्त अग्रदूत तापमान और खुराक समय एक अग्रदूत सुनिश्चित करेगा एक ALD इकाई चक्र की खुराक चरण के दौरान सब्सट्रेट सतह संतृप्त। अग्रदूत तापमान एक ALD प्रयोग में कार्यरत साहित्य, 'निर्माताओं विनिर्देशों, और यौगिकों के साथ पिछले प्रयोगात्मक अनुभव में रिपोर्ट की एक संयोजन की समीक्षा द्वारा निर्धारित किया जाता है। इस समूह में आम तौर पर अग्रदूत तापमान कि इस तरह के अग्रदूत वाष्प दबाव लगभग 0.1 Torr है समायोजित करता है। अलग-अलग बयान प्रणाली डिजाइन के बीच भिन्नता के कारण, कुछ परीक्षण और त्रुटि आम तौर पर जब एक नए अग्रदूत को गोद लेने के अग्रदूत तापमान खोजने की जरूरत है। इसी तरह, पर्याप्त मिटाने बार इस तरह की आवश्यकता है कि ALD चैम्बर पहले dosed अग्रदूत अणुओं के लिए स्वतंत्र है। यह एक सच है ALD एक सीवीडी-एल की तुलना में एक समय में एक सामग्री प्रक्रिया-जमा नहीं बल्कि यह सुनिश्चित करता हैआइक निरंतर जमाव। ALD व्यापारियों को भी तापमान खिड़कियां ( "ALD खिड़की"), जहाँ जमा दर सब्सट्रेट तापमान के लगभग स्वतंत्र हो जाएगा के पास है। बयान के दौरान अग्रदूत अणुओं सब्सट्रेट सतह तर जाएगा, सतह पर adsorbing से अतिरिक्त अणुओं को रोकने। नतीजतन, के अणुओं-परमाणुओं और जमा हर चक्र अभिकारक सोखना गुण और कैनेटीक्स से सीमित हो जाएगा राशि। एसटू तरह एक त्रिगुट ऑक्साइड के लिए, दो व्यापारियों को अभी भी जमाव के विभिन्न दरों हो सकता है। इसलिए, व्यापारियों के बीच इकाई चक्र अनुपात प्रयोगात्मक स्थापित करने की जरूरत है। पिछले प्रयोगों से 45 और डेटा 29,30 - इस समूह में धारा 5 में निर्माताओं से उत्पाद की विशेषताओं के माध्यम से प्रोटोकॉल अनुभाग में से 7 उल्लेख मापदंडों पर बसे है, साहित्य से खबर दी है, 42।

यह प्रयोगों के माध्यम से पाया गया कि यहां तक ​​कि सीनियर हालांकि: तिवारी cycके पास 1 Le अनुपातों: 1 पर एसटू बफर सी stoichiometric एसटू फिल्मों (001) झुकेंगे, एक 2: 1 सीनियर:। तिवारी चक्र अनुपात जीई पर प्रारंभिक एसटू विकास के लिए आवश्यक है 26 नतीजतन, एक दो कदम ALD विकास 2 एनएम से अधिक गहरा एसटू फिल्मों के लिए प्रयोग किया जाता है। एसटू फिल्मों 5 प्रोटोकॉल के 7 करने के लिए कदम का उपयोग कर के रूप में जमा हो जाएगा, अनाकार जमा है और यह फिल्मों पानी रखना आवश्यक है। Annealing तापमान प्रयोगात्मक स्थापित है। 26,29,30, 650 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान annealing इस तरह के एक अधूरे साफ सब्सट्रेट सतह या stoichiometry थोड़ा सीनियर युक्त करने के लिए आदर्श stoichiometry से हटने के रूप में सब्सट्रेट के साथ समस्याओं, संकेत हो सकता लिए की जरूरत है (जैसे , आदर्श SrTiO 3 20, 20, और सीनियर, तिवारी, और ओ के 60 परमाणु%, क्रमशः है)। हालांकि सैद्धांतिक perovskite stoichiometry सर्वोत्तम संभव स्फटिकता उपज चाहिए, थोड़ा एक अमीर फिल्मों stoichiometric या बी से भरपूर फिल्मों की तुलना में बेहतर मणिभ मनाया गया। सीनियर / (सीनियर + तिवारी) के अनुपात वें परे है0.48 0.57 के ई रेंज, यह annealing प्रक्रिया के दौरान फिल्म मणिभ लिए मुश्किल हो जाएगा। इस समूह में एमबीई क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया पर नजर रखने के लिए सीटू RHEED में से सुसज्जित कक्ष में एसटू फिल्मों annealed गया है, और इस प्रकार annealing प्रक्रिया के लिए मानकों का फैसला किया है।

धारा 4, 5, 6 के पूरा होने, और 7 प्रोटोकॉल के बाद, एक एक्सपीएस के माध्यम से नमूना के मूल्यांकन का विकल्प होगा। बगल में प्रयोग किया जाता है इस समूह में XPS के लिए सभी एक्सपीएस माप इस लेख, अर्थात् में चर्चा की, नमूने हर समय UHV प्रणाली में बने रहे। बगल में एक्सपीएस के उपयोग के प्रयोग के प्रत्येक चरण के बाद परिणाम के सही मूल्यांकन के लिए अनुमति देता है। इसलिए, कार्बन सामग्री-एक में आम संदूषक ALD-में जमा फिल्म परिवेश कार्बन स्रोतों से संदूषण के लिए चिंता के बिना मूल्यांकन किया जा सकता है। नमूने भी वृद्धि के बाद एक ऑक्सीडेटिव माहौल है, जो बदल की संभावना समाप्त करने के लिए संपर्क में नहीं थेऑक्सीकरण के माध्यम से फिल्म संपत्तियों हैैं।

हालांकि सीनियर और जमा एसटू फिल्म में तिवारी के बीच stoichiometric अनुपात इकाई चक्र अनुपात जोड़ तोड़ द्वारा समायोजित किया जा सकता है, stoichiometric अनुपात दो व्यापारियों के बीच अनुपात को सम्मान के साथ रैखिक भिन्न नहीं हो सकती है। एसटू फिल्मों, अन्य perovskites बीच, तिवारी की कमी (perovskite की बी-साइट रिक्तियों) के रूप में सीनियर (ए-स्थल) के उस करने के लिए विरोध की ओर अधिक सहिष्णु हैं। 26,31,33 एक अच्छा stoichiometry (0.53 और 0.54 सीनियर / (बीच सीनियर + तिवारी)) annealing के दौरान एक कम क्रिस्टलीकरण तापमान में परिणाम होगा। निर्धारित प्रोटोकॉल का उपयोग करना, इस समूह मोटाई में stoichiometric, क्रिस्टलीय एसटू के लिए 15 एनएम की फिल्मों से बढ़ी है। 26 एक मोटा फिल्म बढ़ने के लिए, एक कई विकास और पानी रखना चरणों में फिल्म जमा करते हैं, या में बढ़ावा देने के लिए प्रयास करने की आवश्यकता हो सकती है सीटू के क्रिस्टलीकरण। एक उच्च बयान तापमान के साथ, फिल्म बयान पर मणिभ सकता है। सीटू के रोने में बढ़ावा देने का एक खामीstallization है कि फिल्मों का खुरदरापन उन फिल्मों बयान के बाद एक बेढब फिल्म annealing द्वारा सघन की तुलना में अधिक हो रहा है। 46

जीई प्रयोग इस लेख में चर्चा पर एसटू के ALD आसानी से एक-साइट जमा करने के लिए संशोधित किया जा सकता है और बी-साइट perovskite फिल्मों प्रतिस्थापित। इस तरह के बी-साइट के लिए एक साइट और हेफ़नियम के लिए लेण्टेनियुम के रूप में वांछनीय तत्वों, उन लोगों के साथ सीनियर या तिवारी इकाई चक्र प्रतिस्थापन कुछ के द्वारा किया जा सकता है। यह भी सिद्धांतों इस प्रोटोकॉल के पीछे जब ऐसी स्ट्रोंटियम hafnate (एसएचओ) के रूप में अन्य एबीओ 3 perovskite फिल्मों, 35 और बेरियम titanate (BTO) बढ़ रही है, 36 epitaxially जीई (001) पर लागू करने के लिए संभव है। जाली मिलान perovskite आक्साइड के विभिन्न गुणों monolithically एकीकृत perovskite आधारित शास्त्रीय उपकरणों के विकास के लिए सक्षम हो जाएगा प्रदान करते हैं। इस काम के उन्नत इलेक्ट्रॉनिक एपी के आवेदन के लिए बढ़ती क्रिस्टलीय आक्साइड की क्षमता का प्रदर्शन किया हैनिकट भविष्य में plications, खासकर ऐसे जीई के रूप में उच्च गतिशीलता अर्धचालक सामग्री के लिए।

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Disclosures

लेखकों वित्तीय हितों की होड़ में कोई खुलासा किया है।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MBE DCA M600
Cryopump for MBE Brooks Automation, Inc. On-Board 8
Residual Gas Analyzer for MBE Extorr, Inc. XT200M
ALD Reaction Chamber Huntington Mechanical Laboratories Custom manufactured, hot-wall, stainless steel, rectangular (~20 cm long, 460 cm3)
ALD Saturator Swagelok/Larson Electronic Glass See comments Custom-built from parts supplied by Swagelok and Larson Electronic Glass. The saturator is made out of 316 stainless steel and Pyrex. All parts are connected via butt welding. Swagelok catalog numbers: SS-4-VCR-7-8VCRF, SS-4-VCR-1, SS-8-VCR-1-03816, SS-8-VCR-3-8MTW, 316L-12TB7-6-8, SS-8-VCR-9, SS-4-VCR-3-4MTW, SS-T2-S-028-20. Larson Electronic Glass catalog number: SP-075-T.
Manual Valves for Saturators Swagelok SS-DLVCR4-P and 6LVV-DPFR4-P Both diaphragm-sealed valves are used interchangably by this group. The specific connectors (VCR male/female/etc.) to use will depend on the actual system design.
ALD Valves Swagelok 6LVV-ALD3TC333P-CV
ALD System Tubing Swagelok 316L tubing of various sizes. This group uses inner diameter of 1/4"
ALD power supply AMETEK Programmable Power, Inc. Sorensen DCS80-13E
ALD Temperature Controller Schneider Electric Eurotherm 818P4
ALD Valve Controller  National Instruments LabView Program developed within the group
XPS VG Scienta
RHEED Staib Instruments CB801420 18 keV at ~3° incident angle
RHEED Analysis System k-Space Associates kSA 400
Digital UV Ozone System Novascan PSD-UV 6
Ozone Elimination System Novascan PSD-UV OES-1000D
Titanium tetraisopropoxide (TTIP) Sigma-Aldrich 87560 Flammable in liquid and vapor phase
 
 
Name Company Catalog Number Comments
Strontium bis(triisopropylcyclopentadienyl) Air Liquide HyperSr Mildly reactive to air and water. Further information supplied by Air Liquide can be found at https://www.airliquide.de/inc/dokument.php/standard/1148/airliquide-hypersr-datasheet.pdf
Ge (001) wafer MTI Corporation GESBA100D05C1 4", single-side polished Sb-doped wafer with ρ ≈ 0.04 Ω-cm
Argon (UHP) Praxair
Deionized Water 18.2 MΩ-cm

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रसायन विज्ञान अंक 113 परमाणु परत बयान perovskite स्ट्रोंटियम titanate SrTiO जर्मेनियम epitaxy क्रिस्टलीय ऑक्साइड
जर्मेनियम पर perovskite स्ट्रोंटियम titanate की epitaxial विकास परमाणु परत बयान के माध्यम से
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Lin, E. L., Edmondson, B. I., Hu, S., Ekerdt, J. G. Epitaxial Growth of Perovskite Strontium Titanate on Germanium via Atomic Layer Deposition. J. Vis. Exp. (113), e54268, doi:10.3791/54268 (2016).

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