10 x 10mm的芯片（綠色）代表常規(guī)的塊狀氧化物襯底�，F(xiàn)在可以在硅（紫色）上使用3英寸虛擬氧化物襯底。預(yù)計8英寸硅晶圓（銀）將用于行業(yè)規(guī)模擴大。背景是混合分子束外延系統(tǒng)。圖片來源：MRI / Penn State

賓州州立大學(xué)材料科學(xué)家稱，這證明了一種新的能力，即能夠生長一種稱為復(fù)合氧化物的重要材料的薄膜的新能力，這將首次使這些材料具有商業(yè)可行性。

復(fù)合氧化物是具有通常由氧和至少兩種其他不同元素組成的晶體。復(fù)合氧化物以其晶體形式并取決于元素的組合，顯示出范圍廣泛的特性。

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程，化學(xué)與物理副教授Roman Engel-Herbert表示：“復(fù)合氧化物有時被稱為功能材料，因為它們實際上對一切都有好處。”

他的研究小組針對的特定復(fù)合氧化物稱為鈣鈦礦氧化物。這種材料的晶體結(jié)構(gòu)（原子的排列）包含兩個帶正電的離子，幾乎可以用元素周期表中幾乎所有形成正帶電的離子的元素取代。根據(jù)被取代的原子類型，研究人員能夠獲得他們感興趣的任何特性，包括磁性，鐵電性，熱釋電性和壓電性，即感應(yīng)和響應(yīng)熱以及將電轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動的能力，反之亦然。 ，甚至超導(dǎo)。

直到現(xiàn)在，為了利用這些材料作為薄膜為電子元件和傳感器的能力已被增長的任一個非常緩慢的速度或缺乏化學(xué)計量控制的阻礙，也就是說保持帶正電的離子的量的晶體在正確的比例。它更是麻煩，到目前為止，沒有任何商業(yè)上可行的整合戰(zhàn)略被發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)，這些功能氧化物在一個可擴展的合并和商業(yè)上可行的方式。

恩格爾-赫伯特說：“為了使工業(yè)利用我們在復(fù)雜氧化物研究領(lǐng)域所目睹的巨大突破，我們必須以某種方式使用與現(xiàn)有工業(yè)制造工藝兼容的技術(shù)將這些薄膜集成到器件中�！� “要做到這一點，你不僅需要可以在其上生長的薄膜右側(cè)基底，你還需要確保基材是足夠大的技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)規(guī)模。雖然不存在這樣的基材（還），現(xiàn)在有前進的道路來彌補這個缺口。”

為了解決這個問題，恩格爾-赫伯特（Engel-Herbert）小組在硅晶片的頂部生長了厚厚的復(fù)合氧化物層。該厚層有時被稱為“虛擬襯底”，在結(jié)構(gòu)和化學(xué)上與目標(biāo)復(fù)合氧化物薄膜層兼容，從而模仿了真實的本體氧化物襯底的功能。這種材料策略不僅需要精確控制生長條件，以確保結(jié)構(gòu)上完美的虛擬底物可以用作

該平臺可以直接在硅上集成功能性氧化膜，而且還具有足夠快的生長速度。盡管該方法在半導(dǎo)體科學(xué)領(lǐng)域已被廣泛確立，但從未應(yīng)用于復(fù)合氧化物。的主要障礙的發(fā)展一直是復(fù)合氧化物薄膜的極其緩慢的生長速率，約每分鐘4埃，或納米的十分之四。以這樣的緩慢速度，足夠厚的復(fù)合氧化物層的生長將需要五至六小時。

“如果要使用虛擬基板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塊狀單晶基板，則需要更高的增長率。我們的突破表明，我們現(xiàn)在可以將這段時間從幾個小時減少到幾分鐘，同時保持完美的控制關(guān)于材料的質(zhì)量，”恩格爾·赫伯特說。

該小組成功地證明了每秒約2埃的增長率。他們的結(jié)果進一步表明，甚至更高的增長率也是可能的，這為該功能性材料與硅的商業(yè)可行的集成策略鋪平了道路。

“到目前為止，只有3英寸的硅片上使用，但是這僅僅是因為我們在實驗室中生長室沒有布局，以處理更大的硅晶片，”他說。“我們沒有理由認(rèn)為這不能在10英寸商用硅晶片來完成。”

除了快得多的生長速率的額外的好處是產(chǎn)生的氧化物基板大大降低成本。由于價格僅為目前可用的塊狀氧化物襯底成本的一小部分，因此研究人員也將從中受益，這將導(dǎo)致更復(fù)雜的氧化物薄膜實驗，從而使該領(lǐng)域的研究進展更快。由于功能的特性的復(fù)合氧化物跨越寬范圍，未來可能的技術(shù)能夠通過，并從可伸縮的復(fù)合氧化物虛擬基板受益是普遍：從基于超導(dǎo)量子位，傳感器，執(zhí)行器和微機電系統(tǒng)（MEMS）的量子計算機的所有辦法頻率捷變正在考慮在5G網(wǎng)絡(luò)未來的廣播頻率標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。

該論文的其他作者是Ph.D。該論文在線發(fā)表在《自然通訊》上，題為“縮放硅上鈣鈦礦氧化物虛擬襯底的生長速率”。學(xué)生和主要作者賈森Lapano，前博士后學(xué)者馬修Brahlek，前研究生張磊，目前博士 學(xué)生Joseph Roth和現(xiàn)任博士后學(xué)者Alexej Pogrebnyakov。