materiais perovskita estão se tornando cada vez mais atraente, devido à sua estrutura cúbica ou pseudocubic altamente simétrica e miríade de propriedades. Estes materiais, com fórmula ABO geral 3, composto de átomos de forma coordenada com 12 átomos de oxigénio e átomos B coordenado com seis átomos de oxigênio. Devido à sua estrutura simples, mas ampla gama de elementos potenciais, materiais perovskita fornecer candidatos ideais para dispositivos heterostructure. Heteroestruturas epitaxiais de óxido de vangloriar ferromagnético, 1-3 anti / ferroelétrico, 4 multiferroic, 5-8 supercondutores, 7 -. 12 e funcionalidades magnetoresistivos 13,14 Muitas dessas propriedades eletrônicas desejáveis são interfacial e, portanto, dependente limpas, transições abruptas entre materiais. As constantes de estrutura de treliça e quase idênticos partilhados entre os membros da família de perovskite para permitir excelente lCoincidindo attice e, portanto, as interfaces de alta qualidade. Prontamente lattice-ajustados entre si, bem como alguns semicondutores, óxidos perovskita estão agora a ser transformado no próxima geração de eletrônicos de metal-oxide-semiconductor.
Integração monolítica de óxidos cristalinos com silício, demonstrou pela primeira vez com o titanato de estrôncio perovskita, SrTiO 3 (STO), por McKee e seus colegas, 15 foi um passo monumental para a realização de dispositivos electrónicos com incorporação perovskita-semicondutor. Epitaxia de feixe molecular (MBE) é a principal técnica para o crescimento epitaxial de óxidos de silício por causa do crescimento da camada-por-camada, bem como a pressão parcial de oxigénio sintonizável necessário para controlar amorfo, interfacial formação de SiO2 16 -. 19 crescimento MBE típica de STO sobre Si (001) é realizado por deoxidation Sr-assistida de SiO 2. Sob as condições de vácuo ultra-alto (UHV), SrO é volátil e subJect a evaporação térmica. Desde SrO é termodinamicamente preferida sobre o metal estrôncio e de SiO 2, deposição de Sr elimina o oxigénio a partir da camada de SiO 2 e o SrO resultante evapora-se da superfície. Durante este processo, a superfície de silício experimenta uma reconstrução 2 × 1 na superfície que forma linhas de átomos de silício dimerizados. Convenientemente, ½ monocamada (ML) a cobertura de átomos de estrôncio na superfície reconstruída preenche as lacunas criadas por essas linhas de dímero. 20 A cobertura ½ ML fornece uma camada protetora que, com o controle cuidadoso da pressão de oxigênio, pode prevenir ou controlar interfacial SiO2 formação durante o crescimento do óxido subsequente. 21 - 23 no caso de STO (e perovskitas com fósforo estrutura semelhante), a estrutura resultante é rodado de 45 ° no plano de tal modo que (001) STO ‖ (001) de Si e (100) STO ‖ (110) de Si, permitindo o registo entre Si (3,84A distância de um Si-Si) e STO (a = 3,905 A) com apenas uma ligeira tensão de compressão sobre o STO. Esse registro é necessário para interfaces de alta qualidade e as propriedades desejadas que possuem.
Silicon tornou-se industrialmente significativa devido à alta qualidade de seu óxido interfacial, mas SiO2 utilização está a ser eliminado por materiais capazes de desempenho equivalente em tamanhos apresentam menores. SiO 2 experiências correntes de alta fugas quando ultra-fina e isso diminui o desempenho do dispositivo. A demanda por tamanhos característicos menores poderiam ser atendidas por filmes de óxido de perovskita com altas constantes dielétricas, k, que proporcionam um desempenho equivalente a SiO 2 e são fisicamente mais grossa que SiO 2 pelo /3.9 fator k. Além disso, os semicondutores alternativas, como germânio, oferecem potencial para o funcionamento do dispositivo mais rápido devido à mobilidades de elétrons e buracos maiores do que o silício. 24,25 Germânio também tem um interfóxido Acial, GeO 2, mas em contraste com o SiO2, que é instável e sujeito a desoxidação térmica. Assim, 2 × 1 reconstrução é alcançável por tratamento térmico simples sob UHV, e uma camada protectora Sr é desnecessária para impedir o crescimento de óxido interfacial durante a deposição de perovskite. 26
Apesar da aparente facilidade de crescimento oferecido por MBE, deposição de camada atómica (ALD) fornece um método eficaz mais escalável e de custo do que MBE para a produção comercial dos materiais de óxido de 27,28. ALD emprega doses de precursores gasosos para o substrato que são auto- limitante na sua reacção com a superfície do substrato. Portanto, em um processo de ALD ideal, até uma camada atómica é depositado para qualquer dado ciclo de precursor de dosagem e a administração continuada do mesmo precursor não irá depositar material adicional sobre a superfície. Funcionalidade reactiva é restaurado com um co-reagente, frequentemente um precursor oxidativo ou redutivo (por exemplo,, Água ou amônia). Trabalhos anteriores demonstraram o crescimento ALD de várias películas de perovskite, tal como anatase TiO2, SrTiO 3, BaTiO 3, e LaAlO 3, sobre Si (001) que tinha sido tamponada com STO espessa de células de quatro unidades crescido através MBE. 29 - 34 em crescimento puramente MBE cristalinas de óxidos, ½ cobertura monocamada de Sr em Si limpo (001) é suficiente para proporcionar uma barreira contra a formação de SiO2 sob as pressões nativas da técnica (~ 10 -7 Torr). No entanto, sob as pressões de operação típicas de ALD ~ 1 Torr, trabalho anterior demonstrou que quatro células unitárias de STO é necessária para evitar a oxidação da superfície do Si 29.
O procedimento detalhado aqui utiliza a instabilidade de GeO2 e atinge integração monolítica de STO em germânio através ALD sem a necessidade de uma camada tampão de adulto MBE. 26 Além disso, a distância Ge-Ge interatômica (3,992 Â) sobre a sua (100) de superfície permite um registro epitaxial análoga com STO que é observado com Si (001). Embora o procedimento aqui apresentado é específico para STO em Ge, ligeiras modificações podem permitir a integração monolítica de uma variedade de películas de perovskite em germânio. De fato, o crescimento ALD direta de SrHfO cristalina 3 e BaTiO 3 filmes foram reportados em Ge. 35,36 possibilidades adicionais incluem o óxido de porta em potencial, SrZr x Ti 1-x O 3. 37 Finalmente, com base em estudos anteriores de crescimento perovskita ALD sobre uma película de STO célula de quatro unidades de Si (001) 29-34 sugere que qualquer filme que pode ser cultivada na plataforma / Si STO pode ser produzido em um filme de tampão STO crescido-ALD em Ge, tais como LaAlO 3 e LaCoO 3. 32,38 a multidão de propriedades disponíveis para heteroestruturas de óxido e notável semelhança entre os óxidos de perovskita sugerem que este procedimento poderia ser utilizado to estudo previamente combinações de crescimento difíceis ou impossíveis com uma técnica tão industrialmente viável.
A Figura 1 mostra o diagrama esquemático do sistema de vácuo, que engloba ALD, MBE, e câmaras de análise ligados por uma linha de transferência de 12 pés. As amostras podem ser transferidos sob vácuo entre cada câmara. A pressão de linha de base da linha de transferência é mantida a cerca de 1,0 × 10 -9 Torr por três bombas de íons. O sistema comercial resolvida no ângulo de raios ultravioleta e de raios-X Espectroscopia Fotoelectrónica (XPS) é mantido com uma bomba de iões de tal modo que a pressão na câmara de análise é mantida a, aproximadamente, 1,0 x 10 -9 Torr.
O reactor ALD é uma câmara de aço inoxidável com especificação rectangular com um volume de 460 cm 3 e comprimento de 20 cm. Um diagrama esquemático do reactor ALD é mostrado na Figura 2. O reactor é uma parede quente, tipo de reactor de fluxo cruzado contínua.As amostras colocadas no reactor têm uma folga de 1,7 cm entre a superfície de topo do substracto e do tecto da câmara e 1,9 cm entre a parte inferior do substrato e o chão da câmara. Uma fita de aquecimento, alimentado por uma fonte de energia dedicada, é enrolado em torno da câmara a partir da entrada para cerca de 2 cm para além do orifício de escape e fornece controlo da temperatura das paredes do reactor. Um controlador de temperatura regula a entrada de alimentação para a fita de aquecimento de acordo com uma medida de temperatura tomada por um par térmico localizado entre a fita de aquecimento e a parede exterior do reactor. O reactor é então completamente envolvido com três fitas de aquecimento adicionais de potência constante fornecida por um variac, e uma camada final de lã de fibra de vidro com revestimento de folha de alumínio proporciona isolamento para promover o aquecimento uniforme. A potência de saída do variac é ajustada de tal forma que a temperatura em marcha lenta (quando a energia dedicada de alimentação é desligada), do reactor é de cerca de 175 ° C. O reactor é Passivamente arrefecida através do ar ambiente. A temperatura do substrato é calculado utilizando a equação linear de encaixe (1), em que T s (° C) é a temperatura do substrato e T C (° C) é a temperatura da parede do reactor, obtida através da medição directamente um substrato equipado com um termopar. Um perfil de temperatura existente ao longo da direcção de escoamento da câmara devido à válvula de porta fria que liga o reactor para a linha de transferência; o perfil de temperatura é perpendicular à direcção de fluxo é negligenciável. O perfil de temperatura provoca uma deposição Sr mais rica no bordo de ataque da amostra, mas a variação na composição ao longo da amostra é pequeno (menos do que uma diferença de 5% entre os bordos anterior e posterior da amostra) de acordo com XPS. 31 Os gases de escape do reactor é ligado a uma bomba turbomolecular e uma bomba mecânica. Durante o processo de ALD, o reactor é bombeado pela bomba mecânica para manter a pressão a cerca de 1 Torr. Caso contrário, o REACTOR pressão é mantida abaixo de 2,0 x 10 -6 Torr pela bomba turbomolecular.
(1) = 0.977T t s c + 3,4
A câmara de MBE é mantida a uma pressão de linha de base de aproximadamente 2,0 x 10 -9 Torr ou menos por uma bomba criogénica. A pressão parcial de várias espécies na câmara MBE é monitorizada por um analisador de gás residual. A pressão de H2 de fundo é de cerca de 1,0 x 10 -9 Torr, enquanto que os de O2, CO, N2, CO2, e H2O, são menos do que 1,0 x 10 -10 Torr. Além disso, a câmara de MBE também é equipado com seis células de efusão, um quatro-pocket evaporador feixe de elétrons, uma fonte de plasma de nitrogênio atômico e uma fonte de plasma de oxigênio atômico com válvula de alta precisão piezoelétrico vazamento, e uma difração de elétrons de alta energia reflexão (RHEED ) sistema em tempo real em observações de crescimento e de cristalização in situ. O Sammanipulador PLE permite que o substrato ser aquecido até 1000 ° C utilizando um aquecedor de carboneto de silício de oxigénio-resistente.