Projekti / Programi
Načrtovanje oksidov na siliciju za elektroniko prihodnosti
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.00 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Epitaksija, oksidna elektronika, silicij, pulzno lasersko nanašanje
Raziskovalci (16)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.649 |
| 2. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.932 |
Povzetek
Namen predlaganega raziskovalnega projekta je razvoj tehnoloških postopkov za industrijsko-primerno izdelavo epitaksialnih oksidnih plasti na silicijevih substratih. S tovrstno popolno integracijo bomo številne raznovrstne lastnosti oksidov in njihovih heterostruktur uspešno prenesli v dobro-razvite silicijeve tehnologije ter jih bodo tako lahko izkoriščali v mnogih napravah. Razlog za izvedbo te raziskave je pomanjkanje tržno sprejemljivih tehnologij, ki so zmožne združiti tako različne materiale. Epitaksija z molekularnim curkom (MBE), ki omogoča visoko-kakovostno rast oksidov na silicijevih rezinah, izkazuje zelo nizko hitrost rasti s slabo ponovljivostjo. V projektu predlagamo uporabo tehnologije pulznega laserskega nanašanja (PLD), ki lahko uspešno reši težave, povezane z MBE, obenem pa ohrani nadzor nad rastjo na atomskem nivoju. Spremembo tehnologije podpira dejstvo, da so PLD sistemi za nanos na velike površine zdaj komercialno dostopni in omogočajo homogeno rast na 8-inčnih rezinah z zelo visoko hitrostjo rasti 50 nm/min.
Zaradi različnih lastnosti oksidov in silicija je za popolno združitev najprej potrebno dobro razumeti dotične vmesne sloje, kar definira prvi cilj projekta. Zato je potrebno razviti predloge, ki bodo omogočale enostavno nadaljnjo rast različnih oksidov. Prvi rezultat projekta torej cilja na pripravo visoko-kakovostne tanke plasti SrTiO3 na silicijevih substratih. Ker je rast začetne oksidne plasti izjemno občutljiva zaradi visoke reaktivnosti vmesnega sloja med silicijem in oksidi ter ima pri doseganju popolne epitaksije najpomembnejšo vlogo, bodo vmesni sloji optimizirani z uporabo številnih naprednih in situ analiznih tehnik, kot so refleksijska visoko-energijska elektronska difrakcija, rentgenska fotoelektronska spektroskopija in vrstična tunelska mikroskopija. Termodinamska stabilnost različnih stehiometrijskih modelov vmesnega sloja silicij-oksid bo preiskovana z uporabo izračunov teorije gostotnega funkcionala. To nam bo omogočilo načrtovanje pufrske plasti s superiornimi lastnostmi s trajnejšim in atomsko ostrim stikom med sestavnima deloma. To je prva tovrstna študija in pričakujemo, da bo zagotovila neprimerljiv vpogled v edinstvene lastnosti vmesnih slojev silicij-oksidi, pripravljenih s PLD.
Mikroelektromehanski sistemi so med najhitreje razvijajočo se tehnologijo ter izkazujejo velik potencial za napredne naprave. Med številnimi možnostmi se osredotočamo na naprave za pridobivanje energije (EH), ki lahko proizvajajo elektriko iz odpadnih vibracij s številnimi možnimi aplikacijami. Najsodobnejši EH izkoriščajo epitaksialne plasti Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), pripravljene na siliciju s kombinacijo naprševanja in MBE. Vendar zaradi slabosti, povezanih s tehniko MBE, komercializacija razvitih materialov ni mogoča. Zato je funkcionalizacija pripravljenih predlog z visoko-kakovostnimi plastmi PMN-PT z uporabo PLD tehnologije predlagana kot drugi cilj projekta. Zaradi okoljskih težav, povezanih s spojinami, ki vsebujejo svinec, bodo prav tako preiskovane heterostrukture na osnovi Na0.5Bi0.5TiO3. Tako pripravljeni piezoelektriki bodo nadalje obdelani in integrirani v prototipne EH naprave in validirani z elektronskim vezjem, specifičnim za dotično aplikacijo. Kot del drugega cilja je prav tako predlagana funkcionalizacija silicija s heterostrukturami LaAlO3-SrTiO3, ki omogočajo tvorbo dvo-dimenzionalnega elektronskega plina na njunem vmesnem sloju. Prevodnost vmesnega sloja v odvisnosti od električnega polja v tem sistemu bo testirana kot kanal med odvodom in virom v tranzistorjih na osnovi električnega polja tipa n, ki bo nadalje povezan v kompleksnejša vezja. Drugi rezultat projekta je torej izdelava smernic za uspešno funkcionalizacijo silicijevih substratov z uporabo ustreznih piezoelektrikov in heterostruktur ter prikaz novih oksidnih naprav na silicijevi platformi za elektroniko naslednje generacije.
Pomen za razvoj znanosti
Pričakovati je velik znanstven preboj na področju heteroepitaksialne rasti oksidov na siliciju z uporabo tehnologije PLD, ki je potreben za izrabo bogatih lastnosti oksidov za elektroniko naslednje generacije. Rast oksidov na siliciju je bila preučevana s strani številnih skupin v preteklosti, vendar je bil napredek pri epitaksialni integraciji zmeraj oviran zaradi nekompatibilnosti materialov.
Naši prelimnarni rezultati prikazujejo možno pot za monokristalno rast oksidov na siliciju z uporabo PLD tehnike. V primerjavi s plastmi, pripravljenimi z MBE tehniko, pa je njihova strukturna kakovost znatno nižja, kar bi lahko bila posledica intrinzično različne narave dotičnih tehnik nanosa. V MBE komori se elemente napari iz efuzijskih celic in tako prispejo na površino nežno, medtem, ko v PLD sistemu visoko-energijski laserski pulz ustvari plazmo supernasičenih zvrsti z veliko višjimi kinetičnimi energijami. V povezavi s prvim ciljem projekta bodo s PLD sistemom pripravljene različne oksidne plasti in analizirane in situ s številnimi tehnikami, kot so STM, XPS in TPD. Preučevani bodo površinski defekti, robovi stopnic, vezavna mesta in omakanje nanesenega materiala. Dodatno bo uporabljen STEM s korekcijo aberacije, da bi pridobili atomistični vpogled v edinstvene strukture oksidov in njihovih vmesnih plasti s silicijem. Predlagana metodologija nam bo omogočila boljše razumevanje integracije tako različnih materialov ter pripravo epitaksialnega STO na Si platformi z optimizirano stehiometrijo in minimizirano koncentracijo strukturnih defektov.
V povezavi z drugim ciljem bodo na STO predloge naneseni piezoelektriki in heterostrukture z 2DEG. Glavni namen tega dela projekta je uspešna integracija uveljavljenih materialnih sistemov s silicijem in ohranitev vrednosti piezoelektričnih koeficientov in elektronskih mobilnosti, ki so karseda visoke. S pripravo visoko-kakovostnih plasti pričakujemo, da bomo lahko natančno povezali njihov funkcionalni odziv s kristalno strukturo plasti na siliciju, neujemanjem kristalnih mrež, in neredom v kemijski sestavi. Tako pripravljene strukture bomo nadalje testirali na nivoju naprav, natančneje v aplikacijah za pridobivanje energije in tranzistorjih na osnovi električnega polja, s čimer bi ocenili njihovo uporabnost v oksidni elektroniki.
Poleg znanosti o materialih, predlagan projekt naslavlja tudi različna vprašanja povezana s fiziko in električnim inženirstvom. V luči tega je predlagana interdisciplinarna raziskovalna ekipa, ki povezuje različne slovenske in mednarodne raziskovalne odseke in inštitute, kakor je opisano v delovnem programu. Tako bo ustvarjen raziskovalni klaster znanstvenikov s komplementarnim strokovnim znanjem, kar nam bo pomagalo pri usmerjanju raziskovalnih dejavnosti in boljšem razumevanju vmesnih plasti in elektronskih vezij.
Pomen za razvoj Slovenije
A major scientific breakthrough is expected in the field of the heteroepitaxial growth of oxides on silicon using PLD technology, required for exploitation of rich properties of oxides for next generation electronics. Growth of oxides on Si has been studied by many research groups in the past, but the progress in epitaxial integration has always been hindered by the problem of the materials’ incompatibility.
Our preliminary results demonstrate possible path for single-crystalline growth of oxides on silicon using PLD. However, compared to MBE-grown layers, their structural quality is significantly smaller, which might be due to the intrinsically different nature of the corresponding two deposition techniques. In the MBE chamber, elements are evaporated from effusion cells and gently arrive to the surface, while in the PLD system a high-energy laser pulses generate a plume of supersaturated species with much higher kinetic energies. Related to the first objective of the project various oxide layers will be prepared using PLD and analyzed in situ with a number of techniques, like STM, XPS, and TPD. Surface defects, step edges, bonding site and wetting of the deposited material will be investigated. Additionally, aberration-corrected STEM will be used to gain atomistic insight into the unique structures of oxide and their interfaces with silicon. The proposed methodology will enable us to better understand integration of such dissimilar materials and to prepare epitaxial STO on Si platform with optimized stoichiometry and minimized concentration of structural defects.
For the second objective, the STO templates will be overgrown with piezoelectrics and heterostructures with 2DEG. The main purpose of this part of the project is to successfully integrate the well-established material systems with silicon and to maintain values of piezoelectric coefficients and electron mobilities that are as high as possible. By growing high-quality films we expect to exactly correlate their functional response with the crystal-structural properties of the films deposited on silicon, the lattice mismatch, and the compositional disorder. Furthermore, as-prepared structures will be tested on the device level, specifically for energy harvesting applications and field-effect transistors, to estimate their applicability in oxide electronics.
In addition to materials science, the proposed project also addresses various issues related to applied physics and electrical engineering. In response to that an interdisciplinary research team is proposed, connecting different national and international research departments and institutes, as described in the work programme. Thus a research cluster of scientist with complementary expertise will be created, which will help us to direct research activities and deliver a better understanding of complex interfaces and electronic circuits.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
