Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Epitaxiaal Groei van Perovskite Strontiumtitanaat op Germanium via Atomic Layer Deposition

12.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/54268

⸱

26 juli 2016

 ,  ,  , 
1McKetta Department of Chemical Engineering, The University of Texas at Austin

In dit artikel

Samenvatting

Dit werk beschrijft de procedures voor de groei en de karakterisering van kristallijn SrTiO 3 rechtstreeks op germaniumsubstraten door atomic layer deposition. De procedure illustreert het vermogen van een all-chemische groeimethode oxiden monolithisch geïntegreerd op halfgeleiders voor metaal-oxide halfgeleiderinrichtingen.

Samenvatting

Atomaire laagdeposition (ALD) is een commercieel gebruikte depositiemethode voor elektronische materialen. ALD-groei van dunne films biedt diktecontrole en conformiteit door gebruik te maken van zelf-limiterende reacties tussen voorlopers in gasfase en de groeiende film. Perovskietoxiden bieden potentieel voor elektronische materialen van de volgende generatie, maar zijn tot nu toe meestal afgezet door fysische methoden. Dit werk beschrijft een methode voor het deponeren van SrTiO3 (STO) op germanium met behulp van ALD. Germanium heeft hogere dragermobiliteiten dan silicium en biedt daarom een alternatief halfgeleidermateriaal met snellere apparaattoepassing. Deze methode maakt gebruik van de instabiliteit van het native oxide van germanium door thermische deoxidatie te gebruiken om het Ge (001) oppervlak te reinigen en te reconstrueren tot de 2×1 structuur. Daarna wordt 2 nm dikke, amorfe STO gedeponeerd door ALD. De STO-film wordt geanneleerd onder ultra-hoog vacuüm en kristalliseert op het gereconstrueerde Ge-oppervlak. Reflectie met hoge-energie elektronendiffractie (RHEED) wordt gebruikt tijdens deze annelerende stap om de kristallisatie van STO te controleren. De dunne, kristallijne laag STO fungeert als een sjabloon voor verdere groei van STO die kristallijn is zoals gegroeid, zoals bevestigd door RHEED. In situ Röntgenfoto-elektronenspectroscopie wordt gebruikt om de filmstoichiometrie te verifiëren voor en na de annelerende stap, evenals na verdere STO-groei. Deze procedure biedt een kader voor aanvullende perovskietoxiden die via chemische methoden op halfgeleiders kunnen worden afgezet, naast de integratie van meer geavanceerde heterostructuren die al bereikbaar zijn door fysische methoden.

Inleiding

Perovskiet materialen worden steeds aantrekkelijk vanwege hun zeer symmetrische kubieke of pseudocubic structuur en talloze eigenschappen. Deze stoffen met de algemene formule ABO 3, bestaan ​​uit een atomen gecoördineerd met 12 zuurstofatomen en B atomen gecoördineerd met zes zuurstofatomen. Door hun eenvoudige structuur, maar toch breed scala van mogelijke elementen, perovskiet materialen ideale kandidaten voor heterostructuur apparaten. Epitaxiale oxide heterostructuren roemen ferromagnetische, 1-3 anti / ferro-elektrische, 4 multiferroïsche, 5-8 supergeleidende, 7 -. 12 en magneto-functionaliteiten 13,14 Veel van deze gewenste elektronische eigenschappen zijn grensvlak en dus afhankelijk van schone, abrupte overgangen tussen materialen. De bijna identieke structuur en roosterconstanten gedeeld tussen leden van de familie perovskiet zorgen voor uitstekende lattice matching en dus hoge kwaliteit interfaces. Gemakkelijk traliewerk elkaar afgestemd evenals sommige halfgeleiders, perovskiet oxiden worden nu gedraaid in de volgende generatie metaal-oxide-halfgeleider elektronica.

Monolithische integratie van kristallijn oxides met silicium, eerst aangetoond met perovskiet strontiumtitanaat, SrTiO 3 (STO), door McKee en collega's, 15 was een monumentale stap op weg naar de realisatie van elektronische apparaten met perovskiet-halfgeleider oprichting. Moleculaire bundel epitaxie (MBE) is de voornaamste techniek voor epitaxiale groei van oxiden op silicium door de laag-voor-laag groei en de afstembare partiële zuurstofdruk noodzakelijk amorfe grensvlak SiO 2 formatie controle 16 -. 19 Typische MBE groei STO op Si (001) wordt bereikt door Sr-geassisteerde deoxidatie SiO 2. Onder de ultrahoog vacuüm (UHV) voorwaarden, SRO is vluchtig en subonderworpen aan thermische verdamping. Aangezien SrO thermodynamisch de voorkeur boven strontium metaal en SiO 2, afzetting van Sr vangt zuurstof uit de SiO-laag 2 en de resulterende SrO verdampt uit het oppervlak. Daarbij ondervindt het siliciumoppervlak een 2 × 1 reconstructie van het oppervlak rijen gedimeriseerde siliciumatomen vormt. Gunstig, ½ monolaag (ML) dekking van de Sr atomen op de gereconstrueerde oppervlak vult de gaten die door deze dimeer rijen. 20 De ½ ML dekking zorgt voor een beschermende laag die, met een zorgvuldige controle van de zuurstofdruk, kan voorkomen of beheersen grensvlak SiO 2 formatie tijdens de daaropvolgende groei oxide 21 -. 23 bij STO (en perovskieten met gelijke rooster overeenkomst), wordt de resulterende rooster gedraaid 45 ° in-vlak zodat (001) STO ‖ (001) Si en (100) STO ‖ (110) Si, waardoor register tussen de Si (3,84Å Si-Si afstand) en STO (a = 3,905 A) met slechts geringe drukspanning op de STO. Dit register is nodig voor hoge kwaliteit interfaces en de gewenste eigenschappen die zij bezitten.

Silicon werd industrieel significant vanwege de hoge kwaliteit van haar grensvlak oxide, maar SiO 2 gebruik wordt afgebouwd voor materialen die gelijkwaardige prestaties bij kleinere functie maten. SiO 2 ervaringen hoge lekstromen als ultra-dun en dit vermindert prestaties van het apparaat. De vraag naar kleinere functie maten kan worden voldaan door perovskietoxide films met een hoge diëlektrische constante, k, dat de prestaties gelijk aan SiO 2 te bieden en zijn fysiek dikker dan SiO 2 door de factor k /3.9. Bovendien alternatief halfgeleiders, zoals germanium, bieden mogelijkheden voor een snellere werking van het apparaat als gevolg van hogere elektron en het gat mobiliteiten dan silicium. 24,25 Germanium heeft ook een interfacial oxide, GeO 2, maar in tegenstelling tot SiO 2, is instabiel en onderhevig aan thermische deoxidatie. Aldus 2 × 1 reconstructie bereikt door eenvoudig thermisch gloeien onder UHV, en een beschermende laag Sr behoeft grensvlakpolymerisatie oxidegroei te voorkomen tijdens perovskiet depositie. 26

Ondanks de schijnbare gemak om te groeien die door MBE, atomic layer deposition (ALD) levert een schaalbare en kosteneffectieve methode dan MBE voor de commerciële productie van oxidematerialen. 27,28 ALD telt doses van voorlopers van een gas aan het substraat die zelf zijn beperking van de reactie met het substraatoppervlak. Daarom is in een ideale ALD proces maximaal een atomaire laag afgezet voor een bepaalde precursor dosiscyclus en voortdurende toediening van dezelfde precursor worden extra materiaal op het oppervlak afzetten. Reactieve functionaliteit wordt hersteld en een co-reagens, vaak een oxidatieve of reductieve precursor (bv, Water of ammoniak). Eerder werk heeft aangetoond dat ALD groei van verschillende perovskiet films, zoals anataas TiO 2, SrTiO 3, BaTiO 3 en LaAlO 3 op Si (001) die gebufferd was met vier-unit-cel dikke STO gekweekt via MBE. 29 - 34 zuiver MBE groei van kristallijne oxiden, ½ monolaagbedekking van Sr op schone Si (001) volstaat om een barrière tegen SiO 2 formatie aan onder druk afkomstig van de techniek (~ 10 -7 Torr). Echter, onder typische ALD werkdruk van ~ 1 Torr, eerder werk is gebleken dat vier eenheid cellen van STO is nodig om te voorkomen dat het oxideren van het oppervlak Si. 29

De hier beschreven gebruikt de instabiliteit van GeO 2 en bereikt monolithische integratie van STO op germanium via ALD zonder de noodzaak van een MBE-bufferlaag gegroeid. 26 Ook de Ge-Ge interatomaire afstand (3,992 A) op zijn (100) oppervlak zorgt voor een analoge epitaxiale samenvallen met STO die wordt waargenomen met Si (001). Hoewel de hier gepresenteerde specifieke STO op Ge, kunnen kleine aanpassingen kun de monolithische integratie van verschillende perovskiet films op germanium. Sterker nog, de directe groei ALD van kristallijn SrHfO 3 en BaTiO 3 films gemeld op Ge. 35,36 Extra mogelijkheden zijn de mogelijkheden gate oxide, SrZr x Ti 1-x O 3. 37 Ten slotte, voortbouwend op eerdere studies van ALD perovskiet groei op een vier-eenheidscel STO film op Si (001) 29-34 blijkt dat elke film die kan worden gekweekt op STO / Si platform kan worden gekweekt op-ALD gekweekt STO buffer film op Ge, zoals LaAlO 3 en LaCoO 3. 32,38 De veelheid van eigenschappen beschikbaar voor oxide heterostructuren en opmerkelijke gelijkenis tussen perovskiet oxiden suggereren deze procedure zou kunnen worden gebruikt to studie voorheen moeilijk of onmogelijk groei combinatie met dergelijke industrieel levensvatbare techniek.

Figuur 1 toont het schema van het vacuüm systeem, dat ALD, MBE, en analytische kamers verbonden door een 12-foot overdracht lijn omvat. De monsters kunnen worden overgedragen onder vacuüm tussen elke kamer. De basislijn druk van de transportleiding wordt op ongeveer 1,0 × 10 -9 Torr gehouden door drie ion pompen. De commerciële hoekopgeloste ultraviolet en X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS) wordt onderhouden met een ion pomp zodat de druk in de kamer bij analytische benadering blijft 1,0 x 10 -9 Torr.

De ALD reactor een rechthoekig op maat gesneden roestvrij stalen kamer met een volume van 460 cm3 en een lengte van 20 cm. Een schema van de ALD reactor wordt getoond in figuur 2. De reactor is een hete wand, continue dwarsstroming reactor.Monsters geplaatst in de reactor hebben een speling van 1,7 cm tussen het bovenoppervlak van het substraat en het kamerplafond en 1,9 cm tussen de onderzijde van het substraat en de kamervloer. Een verwarmingslint, aangedreven door een eigen stroomvoorziening, is rond de kamer van inlaat tot ongeveer 2 cm boven de uitlaatpoort en verschaft temperatuurregeling van de reactorwanden. Een temperatuurregelaar regelt de stroomtoevoer naar de verwarmingsband volgens een temperatuurmeting door een thermokoppel gelegen tussen het verwarmingslint en externe reactorwand. De reactor wordt vervolgens volledig omwikkeld met drie extra verwarming tapes van constant vermogen geleverd door een variac, en een laatste laag van glaswol met aluminiumfolie bekleding verschaft isolatie om gelijkmatige verwarming te bevorderen. Het vermogen van de variac wordt ingesteld dat de stationaire temperatuur (wanneer de eigen voeding is uitgeschakeld) van de reactor ongeveer 175 ° C. De reactor is pastend gekoeld via de lucht. De substraattemperatuur wordt berekend volgens de lineaire fit vergelijking (1), waarbij Ts (° C) is de temperatuur van substraat en Tc (° C) is de temperatuur van de reactorwand, verkregen door het rechtstreeks meten van een substraat voorzien een thermokoppel. Een temperatuurprofiel bestaat langs de stroomrichting van de kamer door de koude schuifafsluiter die de reactor aan de overdrachtsleiding verbindt; het temperatuurprofiel loodrecht op de stroomrichting is verwaarloosbaar. Het temperatuurprofiel veroorzaakt een rijkere Sr afzetting aan de voorrand van het monster, maar het preparaat variatie in monster klein is (minder dan een verschil 5% tussen de voorste en achterste randen van het monster) volgens XPS. 31 De uitlaat van de reactor is verbonden met een turbomoleculaire pomp en een mechanische pomp. Tijdens de ALD werkwijze wordt de reactor gepompt door de mechanische pomp om de druk rond 1 Torr handhaven. Anders, de Reactor druk beneden 2,0 x 10 -6 Torr gehandhaafd door de turbomoleculaire pomp.

(1) T s = 0.977T c + 3.4

MBE kamer wordt gehandhaafd bij een basisdruk van ongeveer 2,0 x 10 -9 Torr of lager door een cryogene pomp. De partiële druk van verschillende soorten in de MBE kamer wordt gevolgd door een restgas analysator. De achtergronddruk H 2 is ongeveer 1,0 x 10 Torr -9, terwijl die van O 2, CO, N2, CO2 en H2O, minder dan 1,0 x 10 -10 Torr. Bovendien wordt de MBE kamer ook voorzien van zes uitstroomcellen, vier-pocket elektronenbundel verdamper, atomaire stikstof plasmabron en een atomair zuurstofplasma bron met hoge precisie piëzo lekklep, en een reflectie hoge energie elektronen diffractie (RHEED ) voor real-time in situ groei en kristallisatie waarnemingen. de sample manipulator kan het substraat worden verwarmd tot 1000 ° C onder toepassing van een zuurstof-resistente siliciumcarbide verwarming.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Voorbereiding van Sr en Ti Voorlopers voor ALD Experimenten

  1. Laad de schone, droge verzadigers en nieuwe voorlopers in de voorkamer van een handschoenenkastje. Volg het handschoenenkastje van laadprocedure om een ​​goede zuivering van lucht en vocht te garanderen. Breng de materialen in de belangrijkste kamer.
    NB: Deze groep maakt gebruik van in-huis gebouwd verzadigers (zie figuur 3) met componenten in de handel gekocht. Details van de verzadigingskolom assembly is te vinden in de lijst van specifieke reagentia en apparatuur.
  2. Bewaar de strontium precursor (strontium bis (triisopropylcyclopentadienyl) [Sr ( 'Pr 3 Cp) 2]) en titaan precursor (titaantetraisopropoxide [Ti (O-i-Pr) 4], TTIP) in een inerte atmosfeer (bijvoorbeeld een handschoenenkastje ) na opening van de oorspronkelijke verpakking van de fabrikant.
    NB: Deze groep maakt gebruik van een dashboardkastje met een vochtgehalte geen greater dan 5 ppm.
  3. Laad de precursor in een verzadigingskolom zodat de voorloper beslaat ongeveer 2/3 van het glas van de verzadigingskolom (ongeveer 5 g).
  4. Monteer de Bevochtigers en zorgen voor een goede lek afdichting wordt bereikt.
    NB: Deze groep maakt gebruik van metalen pakking gelaatsafdichting fittingen lekdichte afdichtingen te bereiken.
  5. Uitladen de gevulde verzadigers uit het dashboardkastje en sluit de gevulde verzadigers aan de ALD spruitstuk.
    Opmerking: De geladen precursors kan meerdere malen worden gebruikt gedurende een langere periode. De voorlopers in het systeem van deze groep vereisen over het algemeen het navullen van elke zes maanden als ze raken geconsumeerd. Sr ( 'Pr 3 Cp) 2 is een bruine vloeistof bij zowel kamertemperatuur en de werktemperatuur voor deze studie (130-140 ° C). TTIP is een heldere vloeistof. Wanneer TTIP verslechtert, meestal door vocht en / of vervuiling lucht, zal de precursor tot een witte vaste stof. Er is geen visi geweestble indicator precursor achteruitgang voor Sr ( 'Pr 3 Cp) 2 waargenomen met deze groep. Sr precursor verslechtering algemeen gedetecteerd door een significante daling (meer dan 10%) van Sr-gehalte in een herhaalbare ALD groei die sr gebruikt ( 'Pr 3 Cp) 2.

2. Reiniging van het Ge (001) Substrate

  1. Plaats een Ge (001) substraat (18 mm x 20 mm), gepolijste kant naar boven, in een kleine beker (25-50 ml). Vul de beker tot ongeveer 1 cm hoog met aceton. Plaats het bekerglas in een bad ultrasoonapparaat en ultrasone trillingen gedurende 10 minuten.
    NB: Deze groep maakt gebruik van single-side gepolijst 4-in Ge wafers, tot 18 × 20 mm 2 stuks met behulp van een in blokjes snijden zaagsnede. Gebruik zwaar gedoteerde n-type Ge indien elektrische metingen van de film nodig zijn (deze studie maakt gebruik van Sb-gedoteerd Ge wafers met ρ ≈ 0.04 Ω-cm), anders alle doping niveau en dotering types zijn aanvaardbaar.
  2. Giet de meerderheid van de aceton in een afvalcontainer, zorg ervoor dat u uit te gieten of flip de Ge substraat. Spoel de wanden van het bekerglas met isopropylalcohol (IPA) en vul tot ongeveer 1 cm hoog. Giet het merendeel van de IPA in een afvalcontainer, vullen bekerglas 1 cm met IPA en ultrasone trillingen gedurende nog 10 min.
  3. Herhaal stap 2.2, maar vervang IPA met gedemineraliseerd water.
  4. Verwijder het substraat uit het bekerglas met een pincet. Droog het substraat met een stikstof pistool of andere droge inerte gasstroom.
  5. Plaats het substraat in het UV-ozonreiniger en laat de reiniger gedurende 30 min.
  6. Na UV-ozon reinigen, het substraat in het vacuümsysteem direct laden.

3. Laden de Ge Substrate

  1. Beweeg de overdracht lijn monster carrier-cart in de vulsluis. Sluit de gate-klep naar de vulsluis isoleren.
  2. Zet de turbomoleculaire pomp belasting achter slot en open de stikstof lijn naar de vulsluis vent. compleetStap 3.3 in afwachting van de vulsluis om volledig te ventileren.
  3. Plaats het substraat, gepolijste kant naar beneden, in een 20 mm x 20 mm monsterhouder.
    Opmerking: alle afzettingen worden uitgevoerd met het monster naar beneden. Verzekeren het substraat gelijk met de onderkant van de houder; anders RHEED experimenten kunnen moeilijkheden ondervinden en films kunnen niet gelijkmatig te deponeren. Een monsterhouder deze groep gebruikt wordt getoond in figuur 4.
  4. Open de vulsluis nadat deze volledig is ontlucht. Het monster houder in een open carrier-cart positie door het gelijktrekken van de lipjes van het monster houder met de kanalen van de open kar positie en het verlagen van het op zijn plaats.
  5. Sluit de belasting slot en zet de turbomoleculaire pomp load lock. Sluit de stikstof lijn.
  6. Wacht tot de druk in de vulsluis ongeveer 5,0 x 10 -7 Torr voordat de vulsluis schuifklep en verplaatsen van de kar door de transportlijn.

4. Ge desoxidatie

  1. Breng de Ge substraat in de MBE kamer.
  2. Ramp de Ge substraattemperatuur 550 ° C bij 20 ° C • min -1 en vervolgens op 700 ° C bij 10 ° C • min -1. Na het houden van het monster bij 700 ° C gedurende 1 uur, wordt het monster afgekoeld tot 200 ° C met 30 ° C • min -1 stijgtijd.
  3. Gebruik RHEED de 2 × 1 gereconstrueerd oppervlak bevestigen zoals beschreven in de representatieve resultaten sectie. 26,39
  4. Optioneel: Gebruik XPS opdat de Ge (001) substraat vrij van oxiden (beschreven in Hoofdstuk 8).

5. Thin Film ALD groei van STO op Ge Substrate

  1. Stel de ALD reactortemperatuur tot 225 ° C.
  2. Warmte Sr ( 'Pr 3 Cp) 2-130 ° C en TTIP tot 40 ° C. Handhaaf water bij kamertemperatuur (tussen 20 en 25 ° C). Reguleren van de waterdamp stroom in de ALD-systeemvia de naaldklep aan de bevochtiger zodanig dat de dosering waterdruk is ongeveer 1 Torr. Zorg voor een constante voorloper temperaturen gedurende de depositie proces.
  3. Breng het monster onder vacuüm om het ALD reactor die is voorverhit op 225 ° C en wacht 15 minuten voor het monster thermisch evenwicht bereiken.
  4. Schakel de uitlaat poort van de ALD reactor uit de turbomoleculaire pomp naar de mechanische pomp.
  5. Schakel de stroomregelaar om de stroom van inert gas (argon deze groep gebruikt) mogelijk. Handhaaf een bedrijfsdruk van 1 Torr gedurende het gehele groeiproces.
  6. Stel de eenheid cyclus verhouding Sr Ti zijn 2: 1. Stel het apparaat cycli van Sr en Ti een 2-sec dosis van Sr, Ti precursor, gevolgd door een 15-seconden argonstroom, en een 1-sec dosis water, gevolgd door een 15-sec argonstroom.
  7. Pas het aantal unit cycli om de gewenste dikte te bereiken. Zorg ervoor dat de ALD fietsen sequentiezo weinig herhaling van individuele Sr of Ti-eenheid cycli mogelijk. Bijvoorbeeld een 2: zal 3 Sr naar Ti fietsen sequentie betere resultaten indien uitgevoerd als 1-Sr, 1-Ti, gevolgd door 1-Sr, 2-Ti, in plaats van 2-Sr gevolgd door 3-Ti.
    NB: Deze groep gebruikt 36 unit cycli naar een 2-nm dik STO film op Ge deponeren.
  8. Optioneel: Gebruik XPS om de film samenstelling (in hoofdstuk 8 beschreven) te controleren.

6. temperen STO Film

  1. Transfer de gedeponeerde monster onder vacuüm in het gloeien kamer.
  2. Verwarm het monster tot 650 ° C met een snelheid van 20 ° C • min -1 onder UHV omstandigheden (10 -9 - 10 -8 Torr). Houd de temperatuur op 650 ° C gedurende 5 minuten, en dan wordt het monster afgekoeld tot 200 ° C in hetzelfde tempo.
    Opmerking: Gebruik RHEED naar het gloeien resultaat te evalueren, zoals beschreven in de representatieve resultaten sectie 26,39.

7. Further groei van STO

  1. Herhaal Sectie 5,1-5,5.
  2. Stel het apparaat cyclus verhouding tussen 1: 1 en 4: 3. Handhaaf dezelfde dosering / zuivering component binnen elke eenheid cyclus. Stel de sequentie volgens de in stap 5,6 uiteengezette beginselen.
  3. Pas het aantal cycli eenheid de beoogde dikte te bereiken.
  4. Gloeien de afgezette film overeenkomstig punt 6 van het protocol.

8. XPS Metingen

  1. Laad het monster in de XPS analytische kamer en zet de röntgenbron. Zorg ervoor dat alle juiste poorten / deuren gesloten om accidentele blootstelling X-ray te voorkomen.
  2. Maak een nieuwe scan van de elementen (bindingsenergie bereiken) gewenst voor analyse te selecteren, of selecteer een reeds bestaande scanprogramma.
    Opmerking: Bindingsenergie bereiken kunnen handmatig worden gewijzigd indien nodig. Stel andere instellingen, zoals door energie, excitatie-energie, energie stap en stap tijd om de signaal-ruisverhouding te optimaliseren, maar blijvenconstant over alle elementaire scans om de vergelijkbaarheid tussen elementaire spectra te behouden. Tabel 1 toont de scan-instellingen die worden gebruikt door deze groep.
  3. Controleren of een heffing plaatsvindt op het substraat door het observeren van de bindingsenergie van een piek bekende element, zoals O 1 s bij 531 eV.
    Opmerking: Het opladen optreedt als de piek is verschoven van de bekende waarde.
  4. Plaats een overstroming pistool in de XPS kamer en zet de vloed pistool als het opladen optreedt. Pas de overstromingskanon energie-output en de afstand tot het monster, zodat de gekozen piek terug wordt verschoven naar de juiste bindende energie.
  5. Manipuleer het podium positie om het gebied waargenomen onder de piek van een bekende element (meestal de O 1 s piek bij 531 eV) te maximaliseren.
  6. Voer de XPS-scan en het verzamelen van de gegevens.
  7. Zet de röntgenbron en verwijder het monster uit de XPS.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuren 5 en 6 tonen typische X-ray foto-elektron spectra en RHEED beelden van een schoongemaakt en zuurstofvrij Ge substraat. Een succes-zuurstofvrij Ge substraat wordt gekenmerkt door zijn "smiley face" 2 × 1 gereconstrueerde RHEED patroon. 26,39 Daarnaast worden Kikuchi lijnen ook waargenomen in de RHEED beelden, die de netheid en lange afstand in opdracht van het monster aan te geven. 40 de scherpte en de intensiteit v...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De netheid van de Ge substraat is de sleutel tot succes bij het verbouwen van de epitaxiale perovskiet met behulp van ALD. De hoeveelheid tijd die een Ge substraat besteedt tussen ontvetten en deoxidization, en de hoeveelheid tijd tussen deoxidization en STO depositie, moet tot een minimum worden beperkt. Monsters zijn nog steeds onderworpen aan verontreinigende blootstelling zelfs onder de UHV-omgeving. Langdurige blootstelling kan leiden tot wederafzetting van onvoorziene koolstof of Ge reoxidatie, wat resulteert in e...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation (Awards CMMI-1437050 en DMR-1207342), het Office of Naval Research (Grant N00014-10-10489) en het Air Force Office of Scientific Research (Grant FA9550-14-1-0090).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
MBEDCAM600
Cryopump voor MBEBrooks Automation, Inc.On-Board 8
Restgasanalysator voor MBEExtorr, Inc.XT200M
ALD-reactiekamerHuntington Mechanical LaboratoriesOp maat vervaardigd, heet-wand, roestvrij staal, rechthoekig (~20 cm lang, 460 cm3)
ALD-satureerderSwagelok/Larson Electronic GlassZie opmerkingenOp maat gebouwd van onderdelen geleverd door Swagelok en Larson Electronic Glass. De satureerder is gemaakt van 316 roestvrij staal en Pyrex. Alle onderdelen zijn verbonden via stuk-op-stuk lassen. Swagelok catalogusnummers: 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 catalogusnummer: SP-075-T.
Manuele kleppen voor satureerdersSwagelokSS-DLVCR4-P en 6LVV-DPFR4-PDeze groep gebruikt beide membraan-afgedichte kleppen op een uitwisselbare basis. De specifieke connectoren (VCR mannelijk/vrouwelijk/etc.) die worden gebruikt, zijn afhankelijk van het werkelijke systeemontwerp.
ALD-kleppenSwagelok6LVV-ALD3TC333P-CV
ALD-systeembuizenSwagelok316L-buizen van verschillende maten. Deze groep gebruikt een binnendiameter van 1/4"
ALD-voedingAMETEK Programmable Power, Inc.Sorensen DCS80-13E
ALD-temperatuurregelaarSchneider ElectricEurotherm 818P4
ALD-klepcontroller National InstrumentsLabViewProgramma ontwikkeld binnen de groep
XPSVG Scienta
RHEEDStaib InstrumentsCB80142018 keV bij ~3° incidentiehoek
RHEED-analysesysteemk-Space AssociateskSA 400
Digitaal UV-ozonsysteemNovascanPSD-UV 6
Ozon-eliminatiesysteemNovascanPSD-UV OES-1000D
Titanium tetraisopropoxide (TTIP)Sigma-Aldrich87560Ontvlambaar in vloeibare en dampfase
 
 
[header]
Strontium bis(triisopropylcyclopentadienyl)Air LiquideHyperSrZwak reactief op lucht en water. Nadere informatie geleverd door Air Liquide is te vinden op https://www.airliquide.de/inc/dokument.php/standard/1148/airliquide-hypersr-datasheet.pdf
Ge (001) waferMTI CorporationGESBA100D05C14", eenzijdig gepolijste Sb-gedopte wafer met ρ ≈ 0.04 Ω-cm
Argon (UHP)Praxair
Gedeïoniseerd water18.2 MΩ-cm

Referenties

  1. Phan, M. -H., Yu, S. -C. Review of the magnetocaloric effect in manganite materials. J. Magn. Magn. Mater. 308 (2), 325-340 (2007).
  2. Serrate, D., Teresa, J. M. D., Ibarra, M. R. Double perovskites with ferromagnetism above room temperature. J. Phys. Condens. Matter. 19 (2), 023201(2007).
  3. Cheng, J. -G., Zhou, J. -S., Goodenough, J. B., Jin, C. -Q. Critical behavior of ferromagnetic perovskite ruthenates. Phys. Rev. B. 85 (18), 184430(2012).
  4. Ahn, C. H. Ferroelectricity at the Nanoscale: Local Polarization in Oxide Thin Films and Heterostructures. Science. 303 (5657), 488-491 (2004).
  5. Catalan, G., Scott, J. F. Physics and Applications of Bismuth Ferrite. Adv. Mater. 21 (24), 2463-2485 (2009).
  6. Ramesh, R., Spaldin, N. A. Multiferroics: progress and prospects in thin films. Nat. Mater. 6 (1), 21-29 (2007).
  7. Vrejoiu, I., Alexe, M., Hesse, D., Gösele, U. Functional Perovskites - From Epitaxial Films to Nanostructured Arrays. Adv. Funct. Mater. 18 (24), 3892-3906 (2008).
  8. Jang, H. W., et al. Metallic and Insulating Oxide Interfaces Controlled by Electronic Correlations. Science. 331 (6019), 886-889 (2011).
  9. Hwang, H. Y., et al. Emergent phenomena at oxide interfaces. Nat. Mater. 11 (2), 103-113 (2012).
  10. Stemmer, S., Millis, A. J. Quantum confinement in oxide quantum wells. MRS Bull. 38 (12), 1032-1039 (2013).
  11. Stemmer, S., James Allen, S. Two-Dimensional Electron Gases at Complex Oxide Interfaces. Annu. Rev. Mater. Res. 44 (1), 151-171 (2014).
  12. Biscaras, J., et al. Two-dimensional superconductivity at a Mott insulator/band insulator interface LaTiO3/SrTiO3. Nat. Commun. 1, 89(2010).
  13. Dagotto, E. Complexity in Strongly Correlated Electronic Systems. Science. 309 (5732), 257-262 (2005).
  14. Jin, K., et al. Novel Multifunctional Properties Induced by Interface Effects in Perovskite Oxide Heterostructures. Adv. Mater. 21 (45), 4636-4640 (2009).
  15. McKee, R. A., Walker, F. J., Chisholm, M. F. Crystalline oxides on silicon: the first five monolayers. Phys. Rev. Lett. 81 (14), 3014(1998).
  16. Warusawithana, M. P., et al. A Ferroelectric Oxide Made Directly on Silicon. Science. 324 (5925), 367-370 (2009).
  17. Niu, G., Vilquin, B., Penuelas, J., Botella, C., Hollinger, G., Saint-Girons, G. Heteroepitaxy of SrTiO3 thin films on Si (001) using different growth strategies: Toward substratelike qualitya. J. Vac. Sci. Technol. B. 29 (4), 041207(2011).
  18. Yu, Z., et al. Advances in heteroepitaxy of oxides on silicon. Thin Solid Films. 462-463, 51-56 (2004).
  19. Yu, Z., et al. Epitaxial oxide thin films on Si (001). J. Vac. Sci. Technol. B. 18 (4), 2139-2145 (2000).
  20. Demkov, A. A., Zhang, X. Theory of the Sr-induced reconstruction of the Si (001) surface. J. Appl. Phys. 103 (10), 103710(2008).
  21. Zhang, X., et al. Atomic and electronic structure of the Si/SrTiO3 interface. Phys. Rev. B. 68 (12), 125323(2003).
  22. Ashman, C. R., Först, C. J., Schwarz, K., Blöchl, P. E. First-principles calculations of strontium on Si(001). Phys. Rev. B. 69 (7), 075309(2004).
  23. Kamata, Y. High-k/Ge MOSFETs for future nanoelectronics. Mater. Today. 11 (1-2), 30-38 (2008).
  24. Fischetti, M. V., Laux, S. E. Band structure, deformation potentials, and carrier mobility in strained Si, Ge, and SiGe alloys. J. Appl. Phys. 80 (4), 2234-2252 (1996).
  25. Liang, Y., Gan, S., Wei, Y., Gregory, R. Effect of Sr adsorption on stability of and epitaxial SrTiO3 growth on Si(001) surface. Phys. Status Solidi B. 243 (9), 2098-2104 (2006).
  26. McDaniel, M. D., et al. A Chemical Route to Monolithic Integration of Crystalline Oxides on Semiconductors. Adv. Mater. Interfaces. 1 (8), (2014).
  27. Leskelä, M., Ritala, M. Atomic layer deposition (ALD): from precursors to thin film structures. Thin Solid Films. 409 (1), 138-146 (2002).
  28. George, S. M. Atomic Layer Deposition: An Overview. Chem. Rev. 110 (1), 111-131 (2010).
  29. McDaniel, M. D., Posadas, A., Wang, T., Demkov, A. A., Ekerdt, J. G. Growth and characterization of epitaxial anatase TiO2(001) on SrTiO3-buffered Si(001) using atomic layer deposition. Thin Solid Films. 520 (21), 6525-6530 (2012).
  30. McDaniel, M. D., et al. Growth of epitaxial oxides on silicon using atomic layer deposition: Crystallization and annealing of TiO2 on SrTiO3-buffered Si(001). J. Vac. Sci. Technol. B. 30 (4), 04E11(2012).
  31. McDaniel, M. D., et al. Epitaxial strontium titanate films grown by atomic layer deposition on SrTiO3-buffered Si(001) substrates. J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (1), 01A136(2013).
  32. Ngo, T. Q., et al. Epitaxial growth of LaAlO3 on SrTiO3-buffered Si (001) substrates by atomic layer deposition. J. Cryst. Growth. 363, 150-157 (2013).
  33. Ngo, T. Q., et al. Epitaxial c-axis oriented BaTiO3 thin films on SrTiO3-buffered Si(001) by atomic layer deposition. Appl. Phys. Lett. 104 (8), 082910(2014).
  34. McDaniel, M. D., et al. Incorporation of La in epitaxial SrTiO3 thin films grown by atomic layer deposition on SrTiO3-buffered Si (001) substrates. J. Appl. Phys. 115 (22), 224108(2014).
  35. McDaniel, M. D., et al. Atomic layer deposition of crystalline SrHfO3 directly on Ge (001) for high-k dielectric applications. J. Appl. Phys. 117 (5), 054101(2015).
  36. Ngo, T. Q., et al. Integration of Ferroelectric Perovskites on Ge(001) by ALD: A Case Study of BaTiO3. , Available from: http://www2.avs.org/symposium2014/Papers/Paper_EM+MI+NS-MoM11.html (2014).
  37. Jahangir-Moghadam, M., et al. Band-Gap Engineering at a Semiconductor-Crystalline Oxide Interface. Adv. Mater. Interfaces. 2 (4), (2015).
  38. Posadas, A., et al. Epitaxial integration of ferromagnetic correlated oxide LaCoO3 with Si (100). Appl. Phys. Lett. 98 (5), 053104(2011).
  39. Ponath, P., Posadas, A. B., Hatch, R. C., Demkov, A. A. Preparation of a clean Ge(001) surface using oxygen plasma cleaning. J. Vac. Sci. Technol. B. 31 (3), 031201(2013).
  40. Braun, W. Applied RHEED: Reflection High-Energy Electron Diffraction During Crystal Growth. , Springer Science & Business Media. (1999).
  41. Moulder, J. F., Stickle, W. F., Sobol, P. E., Bomben, K. E. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. , Perkin-Elmer Corporation. Eden Prairie, MN. (1992).
  42. Vehkamäki, M., Hatanpää, T., Hänninen, T., Ritala, M., Leskelä, M. Growth of SrTiO3 and BaTiO3 thin films by atomic layer deposition. Electrochem. Solid-State Lett. 2 (10), 504-506 (1999).
  43. Vehkamäki, M., et al. Atomic Layer Deposition of SrTiO3 Thin Films from a Novel Strontium Precursor-Strontium-bis(tri-isopropyl cyclopentadienyl). Chem. Vap. Depos. 7 (2), 75-80 (2001).
  44. Ritala, M., Leskelä, M., Niinisto, L., Haussalo, P. Titanium isopropoxide as a precursor in atomic layer epitaxy of titanium dioxide thin films. Chem. Mater. 5 (8), 1174-1181 (1993).
  45. Aarik, J., Aidla, A., Uustare, T., Ritala, M., Leskelä, M. Titanium isopropoxide as a precursor for atomic layer deposition: characterization of titanium dioxide growth process. Appl. Surf. Sci. 161 (3-4), 385-395 (2000).
  46. Premkumar, P. A., Delabie, A., Rodriguez, L. N. J., Moussa, A., Adelmann, C. Roughness evolution during the atomic layer deposition of metal oxides. J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (6), 061501(2013).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

germaniumsubstraatreflectie-hoogenergetische elektrondiffractieröntgenfotoelektronspectroscopiethermische deoxidatieultra-hoog vacuüm gloienkristallijne filmgroeiinterface-valstochtheid
Epitaxiaal Groei van Perovskite Strontiumtitanaat op Germanium via Atomic Layer Deposition
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.