虚拟基板为在5G，MEMS，传感器和量子计算中应用的硅上氧化膜开辟了道路

10 x 10mm的芯片（绿色）代表常规的块状氧化物衬底。现在可以在硅（紫色）上使用3英寸虚拟氧化物衬底。预计8英寸硅晶圆（银）将用于行业规模扩大。背景是混合分子束外延系统。图片来源：MRI / Penn State

宾州州立大学材料科学家称，这证明了一种新的能力，即能够生长一种称为复合氧化物的重要材料的薄膜的新能力，这将首次使这些材料具有商业可行性。

复合氧化物是具有通常由氧和至少两种其他不同元素组成的晶体。复合氧化物以其晶体形式并取决于元素的组合，显示出范围广泛的特性。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程，化学与物理副教授Roman Engel-Herbert表示：“复合氧化物有时被称为功能材料，因为它们实际上对一切都有好处。”

他的研究小组针对的特定复合氧化物称为钙钛矿氧化物。这种材料的晶体结构（原子的排列）包含两个带正电的离子，几乎可以用元素周期表中几乎所有形成正带电的离子的元素取代。根据被取代的原子类型，研究人员能够获得他们感兴趣的任何特性，包括磁性，铁电性，热释电性和压电性，即感应和响应热以及将电转变为机械运动的能力，反之亦然。 ，甚至超导。

直到现在，为了利用这些材料作为薄膜为电子元件和传感器的能力已被增长的任一个非常缓慢的速度或缺乏化学计量控制的阻碍，也就是说保持带正电的离子的量的晶体在正确的比例。它更是麻烦，到目前为止，没有任何商业上可行的整合战略被发现与现有的半导体技术，这些功能氧化物在一个可扩展的合并和商业上可行的方式。

恩格尔-赫伯特说：“为了使工业利用我们在复杂氧化物研究领域所目睹的巨大突破，我们必须以某种方式使用与现有工业制造工艺兼容的技术将这些薄膜集成到器件中。” “要做到这一点，你不仅需要可以在其上生长的薄膜右侧基底，你还需要确保基材是足够大的技术转化为产业规模。虽然不存在这样的基材（还），现在有前进的道路来弥补这个缺口。”

为了解决这个问题，恩格尔-赫伯特（Engel-Herbert）小组在硅晶片的顶部生长了厚厚的复合氧化物层。该厚层有时被称为“虚拟衬底”，在结构和化学上与目标复合氧化物薄膜层兼容，从而模仿了真实的本体氧化物衬底的功能。这种材料策略不仅需要精确控制生长条件，以确保结构上完美的虚拟底物可以用作

该平台可以直接在硅上集成功能性氧化膜，而且还具有足够快的生长速度。尽管该方法在半导体科学领域已被广泛确立，但从未应用于复合氧化物。的主要障碍的发展一直是复合氧化物薄膜的极其缓慢的生长速率，约每分钟4埃，或纳米的十分之四。以这样的缓慢速度，足够厚的复合氧化物层的生长将需要五至六小时。

“如果要使用虚拟基板代替传统的块状单晶基板，则需要更高的增长率。我们的突破表明，我们现在可以将这段时间从几个小时减少到几分钟，同时保持完美的控制关于材料的质量，”恩格尔·赫伯特说。

该小组成功地证明了每秒约2埃的增长率。他们的结果进一步表明，甚至更高的增长率也是可能的，这为该功能性材料与硅的商业可行的集成策略铺平了道路。

“到目前为止，只有3英寸的硅片上使用，但是这仅仅是因为我们在实验室中生长室没有布局，以处理更大的硅晶片，”他说。“我们没有理由认为这不能在10英寸商用硅晶片来完成。”

除了快得多的生长速率的额外的好处是产生的氧化物基板大大降低成本。由于价格仅为目前可用的块状氧化物衬底成本的一小部分，因此研究人员也将从中受益，这将导致更复杂的氧化物薄膜实验，从而使该领域的研究进展更快。由于功能的特性的复合氧化物跨越宽范围，未来可能的技术能够通过，并从可伸缩的复合氧化物虚拟基板受益是普遍：从基于超导量子位，传感器，执行器和微机电系统（MEMS）的量子计算机的所有办法频率捷变正在考虑在5G网络未来的广播频率标准的设备。

该论文的其他作者是Ph.D。该论文在线发表在《自然通讯》上，题为“缩放硅上钙钛矿氧化物虚拟衬底的生长速率”。学生和主要作者贾森Lapano，前博士后学者马修Brahlek，前研究生张磊，目前博士 学生Joseph Roth和现任博士后学者Alexej Pogrebnyakov。

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