Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Epitaksjalny wzrost perowskitowego tytanianu strontu na germanie poprzez osadzanie warstwy atomowej

12.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54268

⸱

26 lipca 2016

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

W tym artykule

Podsumowanie

Ta praca szczegółowo opisuje procedury wzrostu i charakterystyki krystalicznego SrTiO3 bezpośrednio na podłożach germanowych poprzez osadzanie warstw atomowych. Procedura ilustruje zdolność całkowicie chemicznej metody wzrostu do monolitycznego integrowania tlenków z półprzewodnikami w urządzeniach półprzewodnikowych z tlenkami metali.

Streszczenie

Osadzanie warstw atomowych (ALD) jest komercyjnie stosowaną metodą osadzania materiałów elektronicznych. Wzrost cienkich warstw ALD zapewnia kontrolę grubości i zgodność dzięki wykorzystaniu samoograniczających się reakcji między prekursorami fazy gazowej a folią wzrostową. Tlenki perowskitu mają potencjał w materiałach elektronicznych nowej generacji, ale do tej pory były osadzane głównie metodami fizycznymi. W niniejszej pracy przedstawiono metodę osadzania SrTiO3 (STO) na germanie za pomocą ALD. German ma większą ruchliwość nośników niż krzem i dlatego stanowi alternatywny materiał półprzewodnikowy o szybszym działaniu urządzenia. Metoda ta wykorzystuje niestabilność natywnego tlenku germanu poprzez zastosowanie odtleniania termicznego do oczyszczenia i zrekonstruowania powierzchni Ge (001) do struktury 2×1. Amorficzny STO o grubości 2 nm jest następnie osadzany przez ALD. Folia STO jest wyżarzana w ultrawysokiej próżni i krystalizuje na zrekonstruowanej powierzchni Ge. Refleksyjna dyfrakcja elektronów o wysokiej energii (RHEED) jest stosowana na tym etapie wyżarzania do monitorowania krystalizacji STO. Cienka, krystaliczna warstwa STO działa jak matryca dla późniejszego wzrostu STO, który jest krystaliczny w miarę wzrostu, co zostało potwierdzone przez RHEED. In situ Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów służy do weryfikacji stechiometrii filmu przed i po etapie wyżarzania, a także po późniejszym wzroście STO. Procedura ta zapewnia ramy dla dodatkowych tlenków perowskitu, które mają być osadzane na półprzewodnikach za pomocą metod chemicznych, oprócz integracji bardziej wyrafinowanych heterostruktur, które są już osiągalne metodami fizycznymi.

Wprowadzenie

Materiały perowskitowe stają się coraz bardziej atrakcyjne ze względu na ich wysoce symetryczną strukturę sześcienną lub pseudosześcienną oraz niezliczone właściwości. Materiały te, o ogólnym wzorze ABO3, składają się z atomów A skoordynowanych z 12 atomami tlenu i atomów B skoordynowanych z sześcioma atomami tlenu. Ze względu na swoją prostą budowę, a jednocześnie szeroki zakres potencjalnych pierwiastków, materiały perowskitowe są idealnymi kandydatami na urządzenia o heterostrukturze. Epitaksjalne heterostruktury tlenkowe mają funkcje ferromagnetyczne, 1-3 anty/ferroelektryczne, 4 multiferroiczne, 5-8 nadprzewodzące,7-12 i magnetorezystancyjne. Wiele z tych pożądanych właściwości elektronowych ma charakter międzyfazowy, a zatem zależy od czystych, nagłych przejść między materiałami. Prawie identyczna struktura i stałe sieciowe wspólne dla członków rodziny perowskitów pozwalają na doskonałe dopasowanie sieci, a tym samym na uzyskanie wysokiej jakości interfejsów. Tlenki perowskitu, które łatwo dopasowują się do siebie sieciowo, a także do niektórych półprzewodników, są obecnie wykorzystywane w elektronice półprzewodnikowej metal-tlenek-półprzewodnik.

Monolityczne integracje krystalicznych tlenków z krzemem, po raz pierwszy zademonstrowane za pomocą perowskitowego tytanianu strontu, SrTiO3 (STO), przez McKee i współpracowników,15 było monumentalnym krokiem w kierunku realizacji urządzeń elektronicznych z inkorporacją perowskitu i półprzewodnika. Epitaksja wiązki molekularnej (MBE) jest podstawową techniką epitaksjalnego wzrostu tlenków na krzemie ze względu na wzrost warstwa po warstwie, a także przestrajalne ciśnienie parcjalne tlenu niezbędne do kontrolowania amorficznego, międzyfazowego tworzenia SiO2. 16-19 Typowy wzrost MBE STO na Si (001) osiąga się przez odtlenianie SiO2 wspomagane Sr. W warunkach ultrawysokiej próżni (UHV) SrO jest lotny i ulega parowaniu termicznemu. Ponieważ SrO jest termodynamicznie preferowany w stosunku do strontu metalicznego iSiO2, osadzanie się Sr wymiata tlen z warstwy SiO2, a powstały SrO odparowuje z powierzchni. Podczas tego procesu powierzchnia krzemu ulega rekonstrukcji 2×1 na powierzchni, która tworzy rzędy dimeryzowanych atomów krzemu. Dogodnie, pokrycie 1/2 monowarstwy (ML) atomami Sr na zrekonstruowanej powierzchni wypełnia luki utworzone przez te rzędy dimerów. 20 Pokrycie 1/2 ml zapewnia warstwę ochronną, która przy starannej kontroli ciśnienia tlenu może zapobiegać lub kontrolować międzyfazowe tworzenie sięSiO 2 podczas późniejszego wzrostu tlenku. 21-23 W przypadku STO (i perowskitów o podobnym dopasowaniu sieciowym), otrzymana sieć jest obracana o 45° w płaszczyźnie tak, że (001)STO‖(001)Si i (100)STO‖(110)Si, umożliwiając rejestrację między Si (3,84 A odległość Si-Si) a STO (a = 3,905 A) z tylko niewielkim odkształceniem ściskającym STO. Rejestr ten jest niezbędny dla wysokiej jakości interfejsów i pożądanych właściwości, które posiadają.

Krzem stał się przemysłowo znaczący ze względu na wysoką jakość jego międzyfazowego tlenku, ale użycie SiO2 jest stopniowo wycofywane dla materiałów zdolnych do równoważnej wydajności przy mniejszych rozmiarach elementów. SiO2 doświadcza wysokich prądów upływowych, gdy jest ultracienki, co zmniejsza wydajność urządzenia. Zapotrzebowanie na mniejsze rozmiary elementów może być zaspokojone przez warstwy tlenku perowskitu o wysokich stałych dielektrycznych, k, które zapewniają wydajność równoważną SiO2 i są fizycznie grubsze niż SiO2 o współczynnik k/3,9. Co więcej, alternatywne półprzewodniki, takie jak german, oferują potencjał szybszej pracy urządzenia ze względu na większą ruchliwość elektronów i niż krzem. 24,25 German ma również tlenek międzyfazowy, GeO2, ale w przeciwieństwie do SiO2 jest niestabilny i podlega odtlenianiu termicznemu. W związku z tym rekonstrukcję 2×1 można osiągnąć poprzez proste wyżarzanie termiczne pod UHV, a ochronna warstwa Sr nie jest konieczna, aby zapobiec międzyfazowemu wzrostowi tlenków podczas osadzania perowskitu. 26

Pomimo pozornej łatwości wzrostu oferowanej przez MBE, osadzanie warstw atomowych (ALD) zapewnia bardziej skalowalną i opłacalną metodę niż MBE do komercyjnej produkcji materiałów tlenkowych. Pytania z dnia 27,28 na drugi guzikALD wykorzystuje dawki gazowych prekursorów do substratu, które są samoograniczające się w reakcji z powierzchnią substratu. Dlatego w idealnym procesie ALD osadza się do jednej warstwy atomowej na dowolny cykl dozowania prekursora, a dalsze dozowanie tego samego prekursora nie spowoduje osadzenia dodatkowego materiału na powierzchni. Funkcjonalność reaktywna jest przywracana za pomocą koreagenta, często prekursora utleniającego lub redukcyjnego (np. wody lub amoniaku). Wcześniejsze prace wykazały wzrost ALD różnych warstw perowskitowych, takich jak anataz TiO2, SrTiO3, BaTiO3 i LaAlO3, na Si (001), który został zbuforowany STO o grubości czterech komórek jednostkowych wyhodowanych za pomocą MBE. 29-34 W przypadku czystego wzrostu tlenków krystalicznych, pokrycie 1/2 monowarstwą Sr na czystym Si (001) wystarczy, aby zapewnić barierę przed tworzeniem się SiO2 pod ciśnieniem natywnym dla tej techniki (~10-7 Torr). Jednak przy typowych ciśnieniach roboczych ALD wynoszących ~1 Torr, wcześniejsze prace wykazały, że potrzebne są cztery komórki elementarne STO, aby uniknąć utleniania powierzchni Si. 29

Procedura opisana tutaj wykorzystuje niestabilność GeO2 i osiąga monolityczną integrację STO z germanem za pomocą ALD bez potrzeby warstwy buforowej wyhodowanej przez MBE. 26 Co więcej, odległość międzyatomowa Ge-Ge (3,992 A) na jej powierzchni (100) pozwala na analogiczny rejestr epitaksjalny z STO, który obserwuje się z Si (001). Chociaż przedstawiona tutaj procedura jest specyficzna dla STO na Ge, niewielkie modyfikacje mogą pozwolić na monolityczną integrację różnych warstw perowskitowych na german. Rzeczywiście, na GE odnotowano bezpośredni wzrost ALD krystalicznych filmów SrHfO3 i BaTiO3. 35,36 Dodatkowe możliwości obejmują tlenek bramki potencjału, SrZrxTi1-xO3. 37 Wreszcie, opierając się na wcześniejszych badaniach wzrostu perowskitu ALD na czteroelementowej folii STO na Si (001)29-34, sugeruje się, że każdy film, który może być wyhodowany na platformie STO/Si, może być wyhodowany na folii buforowej STO wyhodowanej przez ALD na Ge, takiej jak LaAlO3 i LaCoO3. Pytania z dnia 32,38 TGLMnogość właściwości dostępnych dla heterostruktur tlenkowych i niezwykłe podobieństwo między tlenkami perowskitów sugerują, że procedura ta może być wykorzystana do badania wcześniej trudnych lub niemożliwych kombinacji wzrostu za pomocą takiej przemysłowo opłacalnej techniki.

Rysunek 1 przedstawia schemat systemu próżniowego, który obejmuje komory ALD, MBE i analityczne połączone linią przesyłową o długości 12 stóp. Próbki mogą być przenoszone w próżni między każdą komorą. Podstawowe ciśnienie w przewodzie przesyłowym jest utrzymywane na poziomie około 1,0×10-9 Torr przez trzy pompy jonowe. Komercyjny system spektroskopii fotoelektronów ultrafioletowych i rentgenowskich (XPS) o rozdzielczości kątowej jest utrzymywany za pomocą pompy jonowej w taki sposób, że ciśnienie w komorze analitycznej jest utrzymywane na poziomie około 1,0×10-9 Torr.

Reaktor ALD to prostokątna, zbudowana na zamówienie komora ze stali nierdzewnej o objętości 460cm3 i długości 20 cm. Schemat reaktora ALD pokazano na rysunku 2. Reaktor jest reaktorem o gorących ścianach i ciągłym przepływie krzyżowym. Próbki umieszczane w reaktorze mają odstęp 1,7 cm między górną powierzchnią podłoża a stropem komory oraz 1,9 cm między dnem podłoża a podłogą komory. Taśma grzewcza, zasilana z dedykowanego zasilacza, owinięta jest wokół komory od wlotu do około 2 cm poza króciec wylotowy i zapewnia kontrolę temperatury ścian reaktora. Regulator temperatury dostosowuje moc wejściową do taśmy grzewczej zgodnie z pomiarem temperatury wykonanym przez parę termiczną umieszczoną między taśmą grzewczą a zewnętrzną ścianą reaktora. Reaktor jest następnie całkowicie owinięty trzema dodatkowymi taśmami grzewczymi o stałej mocy dostarczanej przez variak, a ostatnia warstwa wełny z włókna szklanego pokryta folią aluminiową zapewnia izolację, aby zapewnić równomierne ogrzewanie. Moc wyjściowa variaka jest regulowana w taki sposób, aby temperatura pracy na biegu jałowym (gdy dedykowane zasilanie jest wyłączone) reaktora wynosiła około 175 °C. Reaktor jest pasywnie chłodzony powietrzem z otoczenia. Temperaturę substratu oblicza się za pomocą równania dopasowania liniowego (1), gdzie Ts (°C) jest temperaturą podłoża, a Tc (°C) jest temperaturą ściany reaktora, uzyskaną przez bezpośredni pomiar podłoża wyposażonego w termoparę. Profil temperatury występuje wzdłuż kierunku przepływu komory dzięki zimnej zasuwie, która łączy reaktor z linią przesyłową; Profil temperatury prostopadły do kierunku przepływu jest pomijalny. Profil temperatury powoduje bogatsze osadzanie się Sr na krawędzi natarcia próbki, ale zmiana składu wzdłuż próbki jest niewielka (mniej niż 5% różnica między krawędzią natarcia i spływu próbki) według XPS. 31 Wydech reaktora jest podłączony do pompy turbomolekularnej i pompy mechanicznej. Podczas procesu ALD reaktor jest pompowany przez pompę mechaniczną, aby utrzymać ciśnienie na poziomie około 1 Torr. W przeciwnym razie ciśnienie w reaktorze jest utrzymywane poniżej 2,0×10-6 Torr przez pompę turbomolekularną.

(1) Ts=0.977Tc + 3.4

Komora MBE jest utrzymywana na poziomie podstawowym około 2,0×10-9 Torr lub niższym przez pompę kriogeniczną. Ciśnienie parcjalne różnych gatunków w komorze MBE jest monitorowane przez analizator gazów resztkowych. Ciśnienie tła H2 wynosi około 1,0×10-9 Torr, podczas gdy ciśnienie O2, CO, N2, CO2 i H2O jest mniejsze niż 1,0×10-10 Torr. Ponadto komora MBE jest również wyposażona w sześć ogniw efuzyjnych, czterokieszeniowy parownik wiązki elektronów, atomowe źródło plazmy azotowej i źródło atomowej plazmy tlenowej z precyzyjnym piezoelektrycznym zaworem wyciekowym oraz refleksyjny system dyfrakcji elektronów o wysokiej energii (RHEED) do obserwacji wzrostu i krystalizacji in situ w czasie rzeczywistym. Manipulator próbek umożliwia podgrzanie podłoża do 1000 °C za pomocą grzałki z węglika krzemu odpornej na działanie tlenu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie prekursorów Sr i Ti do eksperymentów ALD

  1. Załaduj czyste, suche saturatory i nowe prekursory do przedsionka komory rękawicowej. Postępuj zgodnie z procedurą ładowania schowka na rękawiczki, aby zapewnić prawidłowe oczyszczenie powietrza i wilgoci. Przenieś materiały do komory głównej.
    nuta: Ta grupa korzysta z saturatorów własnej produkcji (patrz rysunek 3) z komponentami zakupionymi komercyjnie. Szczegóły dotyczące montażu saturatora można znaleźć w Wykazie konkretnych odczynników i wyposażenia.
  2. Prekursor strontu (bis(triizopropylocyklopentadienylo) strontu (Sr(iPr3Cp)2)) i prekursor tytanu (tetraizopropoksytlenek tytanu [Ti(O-iPr)4], TTIP) należy przechowywać w obojętnym środowisku (np. w schowku rękawicowym) po otwarciu oryginalnego opakowania dostarczonego przez producenta.
    nuta: W tej grupie używa się komory rękawicowej o wilgotności nie większej niż 5 ppm.
  3. Załaduj prekursor do saturatora tak, aby prekursor zajmował około 2/3 szklanej części saturatora (około 5 g).
  4. Zamontuj saturatory i upewnij się, że uzyskano dobre szczelne uszczelnienie.
    nuta: Ta grupa wykorzystuje metalowe złączki uszczelniające z uszczelką czołową w celu uzyskania szczelnych uszczelnień.
  5. Wyjąć napełnione saturatory ze schowka na rękawiczki i podłączyć napełnione saturatory do kolektora ALD.
    nuta: Załadowane prekursory mogą być używane wielokrotnie przez dłuższy czas. Prekursory w systemie tej grupy zazwyczaj wymagają uzupełniania co sześć miesięcy w miarę ich spożycia. Sr(iPr3Cp)2 jest brązową cieczą zarówno w temperaturze pokojowej, jak i roboczej dla tego badania (130 - 140 °C). TTIP to klarowny płyn. Gdy TTIP ulegnie pogorszeniu, zazwyczaj z powodu wilgoci i/lub zanieczyszczenia powietrza, prekursor zamieni się w białe ciało stałe. Nie zaobserwowano widocznych wskaźników pogorszenia stanu prekursorów dla Sr(iPr3Cp)2 obserwowanych przez tę grupę. Pogorszenie stanu prekursora Sr jest na ogół wykrywane przez znaczny spadek (większy niż 10%) zawartości Sr w powtarzalnym wzroście ALD, który wykorzystuje Sr(iPr3Cp)2.

2. Czyszczenie podłoża Ge (001)

  1. Umieść podłoże Ge (001) (18 mm × 20 mm), wypolerowaną stroną do góry, w małej zlewce (25-50 ml). Napełnij zlewkę acetonem do wysokości około 1 cm. Umieścić zlewkę w sonikatorze do kąpieli i sonikować przez 10 min.
    nuta: W tej grupie używa się jednostronnie polerowanych 4-calowych wafli Ge, pokrojonych na 18 × 20 mm2 części za pomocą piły do krojenia w kostkę. Jeśli potrzebne są pomiary elektryczne folii, należy użyć silnie domieszkowanych n typu Ge (w tym badaniu wykorzystuje się płytki Ge domieszkowane Sb o ρ ≈ 0,04 Ω-cm), w przeciwnym razie dopuszczalne są wszystkie poziomy domieszkowania i rodzaje domieszek.
  2. Zdekantować większość acetonu do pojemnika na odpady, uważając, aby nie wylać ani nie przewrócić podłoża Ge. Przepłukać ścianki zlewki alkoholem izopropylowym (IPA) i napełnić do wysokości około 1 cm. Wlać większość IPA do pojemnika na odpady, napełnić zlewkę do 1 cm alkoholem IPA i poddać sonikacji przez kolejne 10 minut.
  3. Powtórz krok 2.2, ale zastąp IPA wodą dejonizowaną.
  4. Usuń podłoże ze zlewki za pomocą pęsety. Wysuszyć podłoże za pomocą pistoletu do azotu lub innego suchego strumienia gazu obojętnego.
  5. Umieść podłoże w urządzeniu do czyszczenia ozonem UV i uruchom odkurzacz na 30 minut.
  6. Po oczyszczeniu z użyciem ozonu UV należy natychmiast załadować podłoże do systemu próżniowego.

3. Ładowanie podłoża Ge

  1. Przenieś wózek nośny z próbką linii przesyłowej do śluzy załadunku. Zamknij zasuwę, aby odizolować blokadę obciążenia.
  2. Wyłącz pompę turbomolekularną blokady obciążenia i otwórz przewód azotu, aby odpowietrzyć blokadę obciążenia. Wykonaj krok 3.3, czekając, aż blokada obciążenia całkowicie się odpowietrzy.
  3. Umieść podłoże polerowaną stroną skierowaną w dół w uchwycie na próbki o średnicy 20 mm × 20 mm.
    nuta: Wszystkie osadzania przeprowadza się z próbką skierowaną w dół. Upewnij się, że podłoże jest równo z dnem uchwytu; w przeciwnym razie eksperymenty RHEED mogą napotkać trudności, a filmy mogą nie osadzać się równomiernie. Przykładowy uchwyt używany przez tę grupę jest pokazany na rysunku 4.
  4. Otwórz blokadę ładunku po jej całkowitym odpowietrzeniu. Umieść uchwyt próbki w otwartej pozycji wózka nośnego, wyrównując zaczepy uchwytu próbki z kanałami pozycji otwartego wózka i opuszczając go na miejsce.
  5. Zamknij blokadę obciążenia i włącz pompę turbomolekularną blokady obciążenia. Zamknij przewód azotu.
  6. Poczekaj, aż ciśnienie w blokadzie ładunku wyniesie około 5,0×10-7 Torr, zanim otworzysz zasuwę blokady ładunku i przesuniesz wózek przez linię przesyłową.

4. Ge Deoxidization

  1. Przenieś substrat Ge do komory MBE.
  2. Zwiększyć temperaturę podłoża Ge do 550 °C przy 20 °C•min-1, a następnie do 700 °C przy 10 °C•min-1. Po przetrzymywaniu próbki w temperaturze 700 °C przez 1 godzinę schłodzić próbkę do temperatury 200 °C z szybkością 30 °C•min-1.
  3. Użyj RHEED, aby potwierdzić zrekonstruowaną powierzchnię 2×1 zgodnie z opisem w sekcji Reprezentatywne wyniki. Pytania z dnia 26,39
    4. TGL
  4. Opcjonalnie: Użyj XPS, aby upewnić się, że podłoże Ge (001) jest wolne od tlenków (opisanych w rozdziale 8).

5. Cienka warstwa ALD wzrostu STO na podłożu Ge

  1. Ustaw temperaturę reaktora ALD na 225 ºC.
  2. Podgrzać Sr(iPr3Cp)2 do 130 °C i TTIP do 40 °C. Utrzymywać wodę na poziomie RT (od 20 do 25 °C). Reguluj przepływ pary wodnej do systemu ALD za pomocą zaworu iglicowego dołączonego do saturatora tak, aby ciśnienie dozowania wody wynosiło około 1 Torr. Utrzymuj stałą temperaturę prekursora przez cały proces osadzania.
  3. Przenieść próbkę w próżni do reaktora ALD, który został wstępnie podgrzany do temperatury 225 °C i odczekać 15 minut, aż próbka osiągnie równowagę termiczną.
  4. Przełącz port wylotowy reaktora ALD z pompy turbomolekularnej na pompę mechaniczną.
  5. Włącz regulator przepływu, aby umożliwić przepływ gazu obojętnego (ta grupa wykorzystuje argon). Utrzymuj ciśnienie robocze 1 Torr podczas całego procesu wzrostu.
  6. Ustaw współczynnik jednostkowy cyklu Sr do Ti na 2:1. Ustaw cykle jednostkowe Sr i Ti na 2-sekundową dawkę prekursora Sr lub Ti, po której następuje 15-sekundowe przedmuchiwanie argonem, a następnie 1-sekundowa dawka wody, a następnie kolejne 15-sekundowe przedmuchiwanie argonem.
  7. Dostosuj liczbę cykli jednostkowych, aby uzyskać pożądaną grubość. Upewnij się, że sekwencja cykliczna ALD zawiera jak najmniej powtórzeń poszczególnych cykli jednostek Sr lub Ti. Na przykład sekwencja cykliczna 2:3 Sr-to-Ti osiągnie lepsze wyniki, gdy zostanie wykonana jako 1-Sr, 1-Ti, a następnie 1-Sr, 2-Ti, a nie 2-Sr, po którym następuje 3-Ti.
    nuta: Grupa ta wykorzystała 36 cykli jednostkowych do nałożenia warstwy STO o grubości 2 nm na Ge.
  8. Opcjonalnie: Użyj XPS, aby sprawdzić skład filmu (opisany w rozdziale 8).

6. Wyżarzanie folii STO

  1. Przenieść zdeponowaną próbkę w próżni do komory wyżarzania.
  2. Podgrzać próbkę do temperatury 650 °C z szybkością 20 °C•min-1 w warunkach UHV (10-9-10-8 Torr). Utrzymać temperaturę 650 °C przez 5 minut, a następnie schłodzić próbkę do 200 °C z tą samą szybkością.
    nuta: Użyj RHEED, aby ocenić wynik wyżarzania, zgodnie z opisem w sekcji Reprezentatywne wyniki. Pytania z dnia 26,39
    3. TGL

7. Dalszy rozwój STO

  1. Powtórzyć czynności opisane w sekcjach 5.1 - 5.5.
  2. Ustaw współczynnik cyklu jednostkowego w zakresie od 1:1 do 4:3. Utrzymuj ten sam składnik dozujący/przedmuchujący w każdym cyklu jednostkowym. Ustaw sekwencję zgodnie z zasadami wymienionymi w kroku 5.6.
  3. Dostosuj liczbę cykli jednostkowych, aby osiągnąć zamierzoną grubość.
  4. Wyżarzać nałożoną folię zgodnie z sekcją 6 Protokołu.

8. Pomiary XPS

  1. Załaduj próbkę do komory analitycznej XPS i włącz źródło promieniowania rentgenowskiego. Upewnij się, że wszystkie odpowiednie bramy/drzwi są zamknięte, aby zapobiec przypadkowemu narażeniu na promieniowanie rentgenowskie.
  2. Utwórz nowy skan, wybierając elementy (zakresy energii wiązania) żądane do analizy, lub wybierz istniejący wcześniej program do skanowania.
    nuta: W razie potrzeby zakresy energii wiązania można zmienić ręcznie. Ustaw inne ustawienia, takie jak energia przejścia, energia wzbudzenia, energia kroku i czas kroku, aby zoptymalizować stosunek sygnału do szumu, ale pozostać stałym we wszystkich skanach pierwiastków, aby zachować porównywalność widm elementarnych. Tabela 1 przedstawia ustawienia skanowania używane przez tę grupę.
  3. Sprawdź, czy na podłożu nie zachodzi ładunek, obserwując energię wiązania piku znanego pierwiastka, takiego jak O 1s przy 531 eV.
    nuta: Ładowanie ma miejsce, jeśli szczyt przesunął się ze znanej wartości.
  4. Włóż pistolet powodziowy do komory XPS i włącz pistolet powodziowy, jeśli trwa ładowanie. Dostosuj moc wyjściową i odległość wyjściową pistoletu powodziowego od próbki tak, aby wybrany pik został przesunięty z powrotem do prawidłowej energii wiązania.
  5. Manipuluj położeniem stolika, aby zmaksymalizować obszar obserwowany pod szczytem znanego pierwiastka (zwykle szczyt O 1s przy 531 eV).
  6. Uruchom skanowanie XPS i zbierz dane.
  7. Wyłącz źródło promieniowania rentgenowskiego i wyjmij próbkę z komputera XPS.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rycina 5 oraz 6 przedstawiają typowe widma fotoelektronów rentgenowskich oraz obrazy RHEED z oczyszczonego i odtlenionego podłoża Ge. Podłoże Ge, które zostało pomyślnie odtlenione, charakteryzuje się wzorem RHEED z rekonstrukcją 2×1 w formie „uśmiechniętej twarzy”.26,39 Dodatkowo na obrazach RHEED widoczne są linie Kikuchiego, które wskazują na czystość i dalekosiężny porządek próbki.40 Ostrość i intensywność wzoru dyfrakcyjnego rów...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Czystość podłoża Ge jest kluczem do sukcesu przy uprawie perowskitu epitaksjalnego przy użyciu ALD. Czas, jaki podłoże Ge spędza między odtłuszczaniem a odtlenianiem oraz czas między odtlenianiem a osadzaniem STO, powinny być utrzymywane na minimalnym poziomie. Próbki są nadal narażone na narażenie na zanieczyszczenia nawet w środowisku UHV. Długotrwałe narażenie może prowadzić do ponownej depozycji przypadkowego węgla lub ponownego utlenienia Ge, co skutkuje słabym wzrostem filmu. Grupa ta zastosowała szeroko stosowaną ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych do ujawnienia.

Podziękowania

Te badania były wspierane przez National Science Foundation (Nagrody CMMI-1437050 i DMR-1207342), Biuro Badań Marynarki Wojennej (Grant N00014-10-10489) oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (Grant FA9550-14-1-0090).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MBEDCAM600
dla MBEBrooks Automation, Inc.Wbudowany analizator gazów
dla MBEExtorr, Inc.XT200M
ALD Komora ReakcyjnaHuntington Mechanical LaboratoriesProdukcja na zamówienie, gorącościenna, stal nierdzewna, prostokątna (~20  cm długości, 460 cm3)
ALD SaturatorSwagelok/Larson Electronic GlassZobacz komentarzeZbudowany na zamówienie z części dostarczonych przez Swagelok i Larson Electronic Glass. Saturator wykonany jest ze stali nierdzewnej 316 i Pyrexu. Wszystkie części są łączone za pomocą zgrzewania doczołowego. Numery katalogowe Swagelok: 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. Numer katalogowy Larson Electronic Glass: SP-075-T.
Zawory ręczne do saturatorówSwagelokSS-DLVCR4-P i 6LVV-DPFR4-POba zawory z uszczelnieniem membranowym są używane zamiennie przez tę grupę. Konkretne złącza (VCR męskie/żeńskie/etc.), których należy użyć, będą zależeć od rzeczywistego projektu systemu.
Zawory ALDSwagelok6LVV-ALD3TC333P-CV
ALD System RurkiSwagelok316L o różnych rozmiarach. Ta grupa wykorzystuje średnicę wewnętrzną zasilacza 1/4"
ALDAMETEK Programmable Power, Inc.Regulator temperatury ALD Sorensen DCS80-13E
ALDSchneider ElectricEurotherm 818P4
 National InstrumentsLabViewopracowany w ramach grupy
XPSVG Scienta
RHEEDStaib InstrumentsCB80142018 keV przy ~3&stopniowym kącie padania
System analizy RHEEDk-Space AssociateskSA 400
Cyfrowy system ozonowania UVNovascanPSD-UV 6
NovascanPSD-UV OES-1000D
Tetraizoproptlenek tytanu (TTIP)Sigma-Aldrich87560Łatwopalny w fazie ciekłej i gazowej
 
 
[nagłówek]
Stront bis(triizopropylocyklopentadienylo)Air LiquideHyperSrŁagodnie reaguje na powietrze i wodę. Więcej informacji na temat Air Liquide można znaleźć pod adresem https://www.airliquide.de/inc/dokument.php/standard/1148/airliquide-hypersr-datasheet.pdf
Ge (001) wafelMTI CorporationGESBA100D05C14", jednostronnie polerowany wafel domieszkowany Sb z ρ ≈ 0,04 Ω-cm
Argon (UHP)Praxair
Dejonizowana woda18,2 MΩ-cm
Kriopompa resztkowych 8 Sterownik zaworu Program System eliminacji ozonu

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

podłoże germańskiewysokorozdzielcza dyfrakcja elektronów o wysokiej energii (RHEED)spektroskopia fotoelektronów emitowanych przez promienie rentgenowskie (XPS)termiczne odtlenianiewyżarzanie w ultrawysokiej próżniwzrost filmu krystalicznegogęstość pułapek na granicy faz
Epitaksjalny wzrost perowskitowego tytanianu strontu na germanie poprzez osadzanie warstwy atomowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.