锗通过原子层沉积钙钛矿型钛酸锶的外延生长

钙钛矿材料是由于其高度对称的立方或仿立方体的结构和性质的无数越来越具有吸引力。这些材料中，与通式ABO _3，由具有与六个氧原子配位12个氧原子和硼原子配位的原子。由于其结构简单，但广泛的潜在元素，钙钛矿材料为异质器件的理想候选。外延氧化物异质夸铁^{，1 – 3}防/铁电^，4多铁^{，5 – 8}超导^{，7 – 12}和磁阻功能^13,14许多可取的电子性质是界面，因此依赖于材料间干净的，突然的转变。钙钛矿家族成员之间共享的几乎相同的结构，晶格常数让优秀的升attice匹配，因此，高品质的接口。容易晶格匹配彼此以及一些半导体，钙钛矿型氧化物现在正在转向下一代金属氧化物半导体电子元件。

与硅晶体氧化物，先用钙钛矿型钛酸锶证实的单片集成，的SrTiO _{3（STO），}由麦基和他的同事^，15是在实现具有钙钛矿半导体掺入的电子设备的一个巨大的步骤。分子束外延（MBE）为上，因为层与层之间的生长的硅氧化物的外延生长的主要技术，以及需要控制无定形的，界面_的 SiO ₂形成的可调氧分压^{16日 – 19}典型MBE生长在Si STO的（001）是由SiO ₂构成锶辅助脱氧实现。下的超高真空（UHV）条件下，的SrO是易失性和分JECT热蒸发。自的SrO是热力学优于锶金属和SiO _2，锶的沉积从SiO ₂层拾荒氧和所得的SrO从表面蒸发。在此过程中在硅表面经历2×1重构，形成二聚硅原子的行的表面上。交通便利，½重建表面上的锶原子的单层（ML）的覆盖填补这些二聚体行而产生的空白^。20 1/2 ML覆盖范围规定，与氧气压力的严格控制，可以防止或控制界面的SiO ₂的保护层随后的氧化物生长期间形成的^{21 – 23}在STO的情况下（与类似的晶格匹配的钙钛矿），将所得的晶格旋转45°的面内，使得_{（001）STO‖（001） 的Si}和_{（100）STO‖} （110） _的Si，从而在Si之间的注册表（3.84埃丝丝的距离）和STO（A = 3.905埃）与申通快递只有轻微的压缩应变。该注册表是必要的高品质的接口和它们具有所需的性质。

硅成为工业显著由于其界面氧化的高品质，但SiO ₂的使用正在逐渐被淘汰了能够在更小的特征尺寸同等性能的材料。 _的 SiO ₂的经验高漏电流时的超薄和这减少设备的性能。对于更小的特征尺寸的需求可以通过具有高介电常数，K钙钛矿氧化物膜，提供相当于SiO ₂的性能，并且由系数k /3.9比SiO ₂的物理厚来满足。此外，另外的半导体，如锗，提供更快的设备操作的潜力，由于比硅更高的电子和空穴迁移率^。24,25锗也有一个INTERFacial氧化物，GeO ₂的，但在对比_的 SiO _2，它是不稳定的，并受到热脱氧。因此，2×1重构是通过超高真空下简单的热退火实现的，和一个保护锶层是不必要的，以防止钙钛矿沉积期间界面氧化物的生长^。26

尽管明显缓解通过MBE提供生长，原子层沉积（ALD）提供用于商业化生产的氧化物材料的比MBE更具扩展性和成本有效的方法^。27,28 ALD采用剂量气态前体的对是自基板限制在与衬底表面反应。因此，在理想的ALD工艺，最多一个原子层沉积为任何给定的前体给药周期和相同的前体的持续给药不会沉积附加的材料在表面上。反应性官能恢复与一个共反应物，通常是氧化或还原的前体（ 如，水或氨）。以前的工作已经证明各种钙钛矿薄膜，如锐钛矿型_的 TiO _2，钛酸锶_{3 的} BaTiO _3，和LaAlO ₃的ALD生长，对已缓冲通过MBE生长四晶胞厚的STO的^{Si（001）。29 – 34}在晶体氧化物纯粹MBE生长，½锶清洁的Si（001）单层覆盖足以原产于技术（〜10 ^-7托）的压力下，提供针对_二氧化硅形成的障碍。然而，在〜1乇的典型的ALD操作压力，以前的工作已经表明，STO四个单元电池是必需的，以避免氧化Si表面²⁹

这里详细介绍的过程利用的GeO ₂的不稳定性，实现对通过ALD锗STO的单片集成，而不需要一个MBE生长缓冲层^。26。此外，葛优葛原子间距离（3.992 a）在（100）表面允许为与硅（001）观察到的STO类似的外延注册表。虽然这里介绍的程序是特定于戈STO，轻微的修改可以允许多种锗钙钛矿薄膜的单片集成。事实上，结晶SrHfO ₃和_钛酸钡的电影直接ALD增长已经报道了葛优^，35,36其他可能性包括潜在的栅氧化层，SrZr _点¯x钛_1-X O ^_3。37最后，建立在ALD钙钛矿增长以前的研究上的Si的四单元电池的STO膜^{（001）29 – 34}表明可能的STO / Si的平台上生长的任何膜可以在锗一ALD生长的STO缓冲膜，如LaAlO ₃和LaCoO生长^_3，32,38可用于氧化异质结构和钙钛矿型氧化物之间显着的相似性的众多建议这个程序可以利用ŤØ以前的研究与这样一个工业可行的技术困难或不可能的增长组合。

图1描绘了真空系统，该系统包括ALD，MBE，并通过一个12英尺传输线相连的分析腔室的示意图。可将样本在各腔室之间真空转移。输送线的基线压力是由三个离子泵保持在约1.0×10 ^-9乇。商业角度分辨紫外线和X射线光电子能谱（XPS）系统被保持与离子泵，使得在分析腔室中的压力保持在约1.0×10 ^-9乇。

所述ALD反应器是矩形定制不锈钢室中460 cm ³的体积和长度为20厘米。所述ALD反应器的示意图示于图2，反应器是一个热壁，连续横流型反应器中。放置在反应器样品具有的所述基板的顶部表面和所述室的天花板和基板的底面和腔室底板在1.9厘米1.7厘米的间隙。加热胶带，搭载专用的电源，从入口室缠到超出排气口约2厘米，提供了反应器壁的温度控制。温度控制器根据由位于加热胶带和外部反应器壁之间的热耦合截取的温度测量来调整输入功率到加热胶带。然后将反应器完全由自耦变压器提供恒定的功率的三个附加加热磁带，和玻璃纤维羊毛用铝箔被覆的最终层提供绝缘，以促进均匀的加热包裹。自耦变压器的功率输出进行调节，使得在反应器的怠速温度（当专用电源关闭）为约175℃。该反应器是PASsively经由环境空气冷却。基板温度是使用线性拟合等式（1），其中T _S（℃）是衬底和T _C（℃）的温度是反应器壁的温度计算，得到通过直接测量装配有衬底一个热电偶。温度曲线沿着腔室的流动方向上存在由于连接在反应器的输送管线的冷闸阀;垂直于流动方向上的温度分布是忽略的。的温度分布导致在样品的前缘更丰富的锶沉积，而是沿着样品的组成变化是根据XPS小（小于样品的前缘和后缘之间有5％的差异^）。31的排气反应器被连接到一个涡轮分子泵和机械泵。在ALD工艺中，反应器是由机械泵泵送保持在约1乇的压力。否则，reactoř压力由涡轮分子泵保持在低于2.0×10 ^-6乇。

（1）T _S = 0.977T _C + 3.4

在MBE室保持在约2.0×10 ^-9乇或低于一个低温泵的基线压力。在MBE室的各种物质的分压是由残余气体分析仪监测。的H ₂的背景压力为大约1.0×10 ^-9乇，而那些_的 O _{2，CO，N 2，CO 2}和H ₂ O，小于1.0×10 ^-10乇。此外，MBE室还配备有六个喷射室，一个四口袋电子束蒸发器，一个原子氮等离子体源和具有高精度的压电泄漏阀的原子氧等离子体源，以及一反射高能电子衍射（RHEED ）系统，用于在原位生长和结晶观察实时性。山姆PLE操纵器允许基板使用耐氧碳化硅加热器被加热到​​1000℃。