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(jì)8英寸硅晶圓（銀）將用于行業(yè)規(guī)模擴(kuò)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(zhǎng)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(shí)被稱為功能材料，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上對(duì)一切都有好處。”

他的研究小組針對(duì)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(gè)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(jī)械運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的任一個(gè)非常緩慢的速度或缺乏化學(xué)計(jì)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(gè)可擴(kuò)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?cè)趶?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(diǎn)，你不僅需要可以在其上生長(zhǎng)的薄膜右側(cè)基底，你還需要確�；�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(jìn)的道路來彌補(bǔ)這個(gè)缺口。”

為了解決這個(gè)問題，恩格爾-赫伯特（Engel-Herbert）小組在硅晶片的頂部生長(zhǎng)了厚厚的復(fù)合氧化物層。該厚層有時(shí)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(shí)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(zhǎng)條件，以確保結(jié)構(gòu)上完美的虛擬底物可以用作

該平臺(tái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)將需要五至六小時(shí)。

“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(zhǎng)率。我們的突破表明，我們現(xiàn)在可以將這段時(shí)間從幾個(gè)小時(shí)減少到幾分鐘，同時(shí)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(zhǎng)率。他們的結(jié)果進(jìn)一步表明，甚至更高的增長(zhǎng)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?yàn)槲覀冊(cè)趯?shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)室沒有布局，以處理更大的硅晶片，”他說�！拔覀儧]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(zhǎng)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(jià)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(shí)驗(yàn)，從而使該領(lǐng)域的研究進(jìn)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的量子計(jì)算機(jī)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(zhǎng)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。