Перовскита материалы становятся все более привлекательными из-за их высокой симметричной кубической или псевдокубической структурой и множеством свойств. Эти материалы, с общей формулой ABO 3, состоят из атомов скоординированный с 12 атомами кислорода и атомами B координированных с шестью атомами кислорода. Благодаря своей простой конструкции, но широкий круг потенциальных элементов, перовскитовых материалы обеспечивают идеальными кандидатами для гетероструктуры устройств. Эпитаксиальных оксидных гетероструктур похвалиться ферромагнитного, 1 - 3 анти / сегнетоэлектрических, 4 мультиферроик, 5 - 8 сверхпроводящий, 7 -. 12 и магниторезистивные функциональность 13,14 Многие из этих желательных электронных свойств являются на границе раздела фаз и , таким образом , зависит от чистых, резких переходов между материалами. Почти идентичную структуру и постоянные решетки общие между членами семейства перовскита позволяют за отличную лсоответствие attice и, следовательно, интерфейсы высокого качества. Охотно решетки согласованы друг с другом, а также некоторых полупроводников, оксиды со структурой перовскита в настоящее время превратился в нового поколения металл-оксид-полупроводниковой электроники.
Монолитная интеграция кристаллических оксидов с кремнием, впервые продемонстрирована с перовскита титаната стронция, SrTiO 3 (STO), по Мак - Ки и его коллегами, 15 была монументальная шагом на пути реализации электронных устройств с перовскита-полупроводник включения. Молекулярно - лучевой эпитаксии (MBE) является основным методом для эпитаксиального роста оксидов на кремнии из - за роста слой за слоем, а также парциальное давление перестраиваемый кислорода необходимо контролировать аморфный, граничный образование SiO 2 16 - 19 . Типичный рост MBE из STO на Si (001) достигается за счет Sr при содействии раскисления SiO 2. Под сверхвысокого вакуума (СВВ) условиях, SrO является летучим и субек для термического испарения. Так как SrO термодинамически предпочтительнее металлический стронций и SiO 2, осаждение Sr очищает кислорода из слоя SiO 2 , и полученный SrO , испаряется с поверхности. Во время этого процесса на поверхности кремния испытывает реконструкция 2 × 1 на поверхности, которая формирует ряды димеризованных атомов кремния. Удобно, ½ монослоя (ML) охват Sr атомов на реконструированной поверхности заполняет пробелы , созданные этими димерных рядов. 20 Покрытие ½ ML обеспечивает защитный слой , который, с тщательным контролем давления кислорода, может предотвратить или контролировать на границе раздела фаз SiO 2 образование во время последующего роста окисла 21 -. 23 в случае STO (и перовскитов с аналогичным матчем решетки), в результате решетка поворачивается на 45 ° в плоскости таким образом, что (001) STO ‖ (001) Si и (100) STO ‖ (110) Si, что позволяет реестра между Si (3,84Å Si-Si расстояние) и STO (а = 3,905 Å) только с небольшим деформации сжатия на STO. Этот реестр необходим для высокого качества интерфейсов и требуемых свойств, которыми они обладают.
Кремний стал промышленно значимым из - за высокого качества ее на границе раздела фаз оксида, но использование SiO 2 сворачивается для материалов , способных эквивалентной производительности при меньших размерах объектов. SiO 2 испытывает высоких токов утечки , когда ультратонкий и это уменьшает производительность устройства. Спрос на меньшие размеры удобства могут быть встречены перовскита оксидных пленок с высокой диэлектрической проницаемостью, K, которые обеспечивают производительность , эквивалентную SiO 2 и физически толще , чем SiO 2 на коэффициент K /3.9. Кроме того, альтернативные полупроводники, как германий, предлагают потенциал для более быстрой работы устройства за счет более высоких подвижностей электронов и дырок , чем кремний. 24,25 Германий также имеет INTERFacial оксид, GeO 2, но в отличие от SiO 2, она неустойчива и при условии термической раскисления. Таким образом, 2 × 1 реконструкция достижима путем простого термического отжига при сверхвысоком вакууме, и защитный слой , Sr ненужно , чтобы предотвратить рост межфазного оксида во время осаждения перовскита. 26
Несмотря на кажущуюся легкость роста , обеспечиваемыми MBE, осаждение атомных слоев (ALD) обеспечивает более масштабируемой и экономически эффективным , чем метод МЛЭ для промышленного получения оксидных материалов. 27,28 ALD используют дозы газообразных предшественников на подложку, которые само- ограничивая в их реакции с поверхностью подложки. Таким образом, в идеальном процессе ALD, до один атомный слой осаждают для любого данного предшественника дозирования цикла и непрерывного дозирования одного и того же предшественника, не будет вносить дополнительного материала на поверхность. Реактивная функциональность восстанавливается с сореагента, часто окисленные или восстановительное предшественника (например ,, Вода или аммиак). Предыдущая работа продемонстрировала рост ALD различных перовскита пленок, таких как анатаз TiO 2, SrTiO 3, BaTiO 3 и LaAlO 3, на Si (001) , который был забуференном с толстым STO четыре элементарной ячейки , выращенных с помощью молекулярно - лучевой эпитаксии. 29 - 34 в чисто МПЭ роста оксидов кристаллических, ½ охват монослой Sr на чистом Si (001) достаточно , чтобы обеспечить барьер против SiO 2 формации под давлением родных к технике (~ 10 -7 мм рт.ст.). Тем не менее, при типичных ALD рабочих давлениях ~ 1 Торр, предыдущая работа показала , что четыре элементарные ячейки STO требуется , чтобы избежать окисления поверхности Si. 29
Процедура , описанная здесь используется неустойчивость GeO 2 и достигает монолитной интеграции STO на германии через ALD без необходимости использования буферного слоя MBE-выращены. 26 Кроме того, расстояние между атомами Ge-Ge (3,992 Å) на его (100) поверхность позволяет аналогичной эпитаксиальных реестра с STO, которая наблюдается с Si (001). Хотя процедура представлена здесь специфично для STO на Ge, незначительные модификации могут позволить монолитной интеграции разнообразных перовскита пленок на германии. В самом деле, прямой рост ALD кристаллического SrHfO 3 и BaTiO 3 пленок было зарегистрировано на Ge. 35,36 Дополнительные возможности включают в себя потенциальный оксид затвора, SrZr х Ti 1-x O 3. 37 И, наконец, на основе предыдущих исследований роста перовскита ALD на четыре элементарной ячейки STO пленки на поверхности Si (001) 29 - 34 предполагает , что любой фильм , который можно выращивать на STO платформе / Si можно выращивать на ALD выращенных STO буферной пленки на Ge, такие как LaAlO 3 и LaCoO 3. 32,38 множество свойств , доступных для оксидных гетероструктур и замечательное сходство между перовскита оксидов предполагают , эта процедура может быть использована то ранее исследование трудно или невозможно сочетания роста с такой промышленно жизнеспособной техникой.
На рисунке 1 представлена схема вакуумной системы, которая охватывает ALD, MBE и аналитические камеры , соединенные линии передачи 12 футов. Образцы могут быть переданы в вакууме между каждой камерой. Базовое давление передаточной линии поддерживают на уровне приблизительно 1,0 × 10 -9 Торр тремя ионными насосами. Система коммерческим угловым разрешением ультрафиолетовое и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) поддерживается с ионным насосом таким образом, что давление в камере аналитической поддерживается на уровне приблизительно 1,0 · 10 -9 Торр.
Реактор ALD представляет собой прямоугольный несерийный из нержавеющей стали камера с объемом 460 см 3 и длиной 20 см. Схематическое изображение реактора ALD показано на рисунке 2. Реактор является горячей стенки, непрерывный тип реактора с поперечным потоком.Образцы помещают в реактор имеют зазор 1,7 см между верхней поверхностью подложки и камеры потолка и 1,9 см между нижней подложкой и нижней поверхностью камеры. Ленточный нагревательный элемент, питание от выделенного источника питания, обернута вокруг камеры от впускного отверстия до приблизительно 2 см из выхлопного отверстия и обеспечивает контроль температуры стенок реактора. Контроллер температуры регулирует входной мощности к нагревательной ленты в соответствии с измерением температуры, принятого тепловой пары, расположенной между нагревательной лентой и наружной стенкой реактора. Затем реактор полностью обернут с тремя дополнительными нагревательными лентами постоянной мощности, предоставленной Variac, и последний слой из стекловолокна ваты с покрытием из алюминиевой фольги обеспечивает изоляцию для содействия равномерного нагрева. Выходная мощность Вариак регулируется таким образом, что холостой ход температуры (когда выделенный источник питания отключается) реактора составляет примерно 175 ° С. Реактор паключительно охлаждается с помощью окружающего воздуха. Температура подложки рассчитывается с использованием линейной посадки уравнения (1), где Т с (° С) представляет собой температуру подложки и Т с (° С) является температура стенки реактора, полученный путем непосредственного измерения подложку , снабженную термопарой. Температурный профиль существует вдоль направления потока камеры из-за холодной задвижкой, который соединяет реактор для линии передачи; температурный профиль перпендикулярно к направлению потока можно пренебречь. Профиль температуры приводит к более богатым радионуклида на переднем крае образца, но изменение состава вдоль образца мало (меньше , чем разница в 5% между передней и задней кромками образца) в соответствии с XPS. 31 выхлопе реактор соединен с турбомолекулярным насосом и механический насос. Во время процесса ALD реактор нагнетают механического насоса для поддержания давления на уровне около 1 Торр. В противном случае, Reactoг давление поддерживается ниже 2,0 × 10 -6 мм рт.ст. по турбомолекулярным насосом.
(1) T S = 0.977T с + 3.4
Эпитаксиальной камере поддерживается на базовом давлении приблизительно 2,0 × 10 -9 Торр или ниже криогенным насосом. Парциальное давление различных видов в камере МЛЭ контролируется остаточного газоанализатором. Фоновое давление Н 2 составляет около 1,0 × 10 -9 Торр, а те из O 2, CO, N 2, CO 2 и H 2 O, составляет менее 1,0 · 10 -10 Торр. Кроме того, эпитаксиальной камере также оснащена шестью эффузионных клетками, четыре кармана электронный пучковый испаритель, атомный источник плазмы азота и атомарный кислород источник плазмы с клапаном высокоточное течи пьезоэлектрические, и дифракции электронов высокой энергии отражения (ДБЭО ) система реального времени полевых измерений роста и кристаллизации наблюдений. сэмPLE Манипулятор позволяет субстрат нагревают до 1000 ° С с использованием кислорода устойчивостью карбида кремния нагреватель.