锗通过原子层沉积钙钛矿型钛酸锶的外延生长

该程序的总体目标是在可扩展的过程中生长高介电常数结晶钙钛矿氧化物，以直接在天竺葵（未来的微电子平台）上起二氧化二的作用。这种方法可以回答微电子领域的关键问题，即跨界面结合的结晶氧化物能否产生具有极低陷阱密度和界面状态的薄膜？这种技术的主要优点是它很容易在制造环境中实现，并且应该很容易扩展到 3D 设备架构。

一般来说，这种方法的新手会遇到困难，因为缺乏少数人来处理前驱体，并且需要定时序列以为他们在反应器中的特定硬件产生步骤。当合作者使用分子束外延将钙钛矿直接分组在天竺葵上时，我们首先想到了这种方法，我们认为他们的过程要适应原子层沉积。这种方法的目视演示至关重要，因为需要为其他系统修改样品清洁、转移步骤和时间，同时确保清洁和重建的生长表面。

对于此协议，如果需要对薄膜进行电学测量，请使用重掺杂的完整天竺葵，否则所有掺杂水平和掺杂类型都是可接受的。将天竺葵基材抛光面朝上放入一个小烧杯中。加入约 1 cm 的丙酮，将烧杯放入浴超声仪中，超声处理 10 分钟。

倒出大部分丙酮，但不要倒出或翻转天竺葵底物。然后用异丙醇冲洗烧杯壁，直到约 1 cm 满。然后倒掉大部分。

用相同体积的异丙醇重新填充烧杯，然后重复超声处理。重复冲洗程序，这次用水。小心不要干扰基材。

然后用镊子去除基材，并在氮气等惰性气体下干燥。现在用紫外线臭氧清洁剂清洁基材 30 分钟。当剩余 8 分钟时，开始对负载锁进行排气，以便在清洁完成后立即将基材装载到真空系统中。

将基材抛光面向下放入 20 x 20 mm 的支架中。确保基材与支架底部齐平。真空系统完全排气后，打开负载锁。

将样品架的卡舌与打开的推车的通道对齐，将样品架置于打开的托架位置。然后关闭负载锁并打开负载锁涡轮分子泵。当负载锁中的压力下降到足够低时，打开负载锁闸阀，使推车通过传输线。

接下来，将锗衬底转移到 MBE 室中。将样品调整到相对于 MBE 样品加热台的适当高度。然后以每分钟 550 摄氏度的速度将基板温度升高到 20 摄氏度。

一旦达到 500 摄氏度，以每分钟 10 摄氏度的速度将温度升高到 700 摄氏度。将样品在 700 摄氏度下放置一小时后，将样品冷却至 200 摄氏度，每分钟降低 30 摄氏度。接下来通过反射高能电子衍射分析衬底，以确认两者的重建表面。

准备时，将 ALD 反应器温度设置为 225 摄氏度并使其预热。在用加热带包裹的饱和器中将双三异丙基环戊二烷基锶加热至 130 摄氏度。同时在加热带包裹的饱和器中将四异丙醇钛加热至 35 至 40 摄氏度。

通过连接到饱和器的针阀调节进入 ALD 系统的室温水蒸气流量。将水压保持在 0.1 torr 左右。此外，在整个沉积过程中保持恒定的前驱体温度。

一旦 ALD 反应器温度稳定，迅速、小心地将样品原位转移到 ALD 反应器中。从获得 2 x 1 重建表面到将样品加载到 ALD 中之间的时间至关重要。尽量减少此时间以避免表面的任何背景污染。

结晶膜不会在受污染的表面上生长。将 ALD 反应器与传输线隔离，并将 ALD 反应器的排气口从涡轮分子泵切换到机械泵。打开流量控制器，使用氩气等惰性气体，并在整个生长过程中保持约 1 torr 的工作压力。

保持系统稳定 15 分钟后，对 ALD 进行编程。首先将锶与钛的单位循环比设置为 2：1。然后将锶和钛单位循环设置为锶或钛前驱体的剂量为 2 秒，然后进行 15 秒的氩气吹扫、1 秒的水剂量和另一个 15 秒的氩气吹扫。

接下来，设置所需沉积厚度的循环次数。在我们的系统中计量过程中，压力会增加。达到饱和所需的加样时间和压力可能是 ALD 系统特定的，需要针对不同的系统确定。

ALD 沉积完成后，小心地将样品转移到退火室。在 UHV 条件下，以每分钟 20 摄氏度的速度将样品加热至 650 摄氏度。在 650 摄氏度时，保持温度 5 分钟，然后以相同的速率将样品冷却回 200 摄氏度。

最终使用 RHEED 评估退火结果，如果需要，可以通过重复该过程将其他层沉积到基材上。清洁和脱氧的锗衬底的 RHEED 成像表明，成功的脱氧可以通过其笑脸 2 x 1 重建图案来表征。在 RHEED 图像中观察到菊池线，表明基材具有良好的清洁度和长距离有序性。

STO 薄膜沉积和退火后 RHEED 图案的清晰度和强度表现出良好的外延生长。锗 3D X 射线光电子谱没有氧化锗峰，在 30 电子伏特处观察到零价锗峰。预沉积、36 周期和 155 周期沉积分别以红色、棕色和黑色显示。

外延 STO 在锗上的 X 射线衍射图谱在 22.8 度、46.5 度和 66 度处具有预期的特征峰。薄膜的外延性质通过横截面高分辨率透射电子显微镜直接证实。这表明 STO 和锗之间有高质量的外延沉积，层之间有突然的转变。

看完这个视频后，你应该对如何使用原子层沉积直接在锗上生长单晶钙钛矿有了很好的了解。这种方法不仅限于滴定酸锶。在尝试此过程时，重要的是要确保锗表面具有 2 x 1 重建。

如果样品在传输管线上放置数天，它也不会受到碳和氧污染。遵循此程序后，可以执行 MOS 电容器结构的电气测量等措施，以研究界面陷阱密度、薄膜膨胀常数和每个载流子。开发后，这项技术为微电子领域的研究人员探索需要极低等效氧化物厚度的锗结构铺平了道路。