Preuve qu'une nouvelle capacité à faire croître des films minces d'une classe importante de matériaux appelés oxydes complexes, pour la première fois, rendre ces matériaux commercialement réalisables, selon les scientifiques des matériaux de Penn State.

Les oxydes complexes sont des cristaux dont la composition est généralement constituée d'oxygène et d'au moins deux autres, différents éléments. Sous leur forme cristalline et selon la combinaison des éléments, les oxydes complexes présentent une vaste gamme de propriétés.

"Les oxydes complexes sont parfois appelés matériaux fonctionnels, parce qu'ils sont littéralement bons pour tout, " dit Roman Engel-Herbert, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, chimie et physique, État de Penn.

Les oxydes complexes particuliers que son groupe cible sont appelés oxydes de pérovskite. La structure cristalline - l'arrangement des atomes - de ce matériau contient deux ions chargés positivement qui peuvent être remplacés par presque tous les éléments du tableau périodique formant des ions chargés positivement. Selon le type d'atomes substitués, les chercheurs sont en mesure d'obtenir les propriétés qui les intéressent, y compris le magnétisme, ferroélectricité, pyro- et piézoélectricité - la capacité de détecter et de répondre à la chaleur et de transformer l'électricité en mouvement mécanique ou vice versa, et même la supraconductivité.

Jusqu'à maintenant, la capacité d'utiliser ces matériaux comme films minces pour l'électronique et les capteurs a été entravée soit par un taux de croissance très lent, soit par un manque de contrôle de la stoechiométrie, c'est-à-dire en gardant la quantité d'ions chargés positivement dans le cristal dans la bonne proportion. Il est encore plus gênant qu'aucune stratégie d'intégration commercialement viable n'ait été trouvée pour combiner ces oxydes fonctionnels avec la technologie des semi-conducteurs existante d'une manière évolutive et commercialement viable.

« Pour que l'industrie profite des avancées spectaculaires dont nous avons été témoins dans ce domaine de la recherche sur les oxydes complexes, nous devons en quelque sorte intégrer ces couches minces dans des dispositifs utilisant des technologies compatibles avec les procédés de fabrication industrielle existants, " Engel-Herbert dit. "Pour ce faire, vous n'avez pas seulement besoin du bon substrat sur lequel vous pouvez faire pousser le film, vous devez également vous assurer que les substrats sont suffisamment grands pour traduire la technologie à l'échelle de l'industrie. Bien que de tels substrats n'existent pas (encore), il existe désormais un moyen de combler cet écart."

Pour résoudre ce problème, Le groupe d'Engel-Herbert fait pousser des couches épaisses d'oxydes complexes sur une plaquette de silicium. Cette couche épaisse, parfois appelé « substrat virtuel », est structurellement et chimiquement compatible avec la couche mince d'oxyde complexe ciblée, imitant ainsi la fonction d'un véritable substrat d'oxyde massif. Cette stratégie de matériaux nécessite non seulement un contrôle précis des conditions de croissance pour assurer un substrat virtuel structurellement parfait qui peut servir de

plateforme d'intégration de films d'oxyde fonctionnels directement sur silicium, mais aussi des taux de croissance suffisamment rapides. Cette méthode, bien qu'il soit bien établi dans le domaine de la science des semi-conducteurs, n'a jamais été appliqué aux oxydes complexes. Le principal obstacle à son développement a été la vitesse de croissance atrocement lente des films minces d'oxydes complexes, environ quatre angströms par minute, ou quatre dixièmes de nanomètre. A de telles vitesses lentes, la croissance d'une couche d'oxyde complexe suffisamment épaisse nécessiterait cinq à six heures.

"Si vous souhaitez utiliser un substrat virtuel au lieu d'un substrat monocristallin en vrac conventionnel, vous avez besoin d'ordres de grandeur de taux de croissance plus élevés. Notre percée montre que nous pouvons désormais réduire ce temps de plusieurs heures à quelques minutes tout en gardant une parfaite maîtrise de la qualité de la matière, " dit Engel-Herbert.

Le groupe a démontré avec succès des taux de croissance d'environ deux angströms par seconde. Leurs résultats indiquent en outre que des taux de croissance encore plus élevés sont possibles, ouvrant la voie à une stratégie d'intégration commercialement viable pour cette classe fonctionnelle de matériaux avec le silicium.

"Jusqu'à présent, seules des plaquettes de silicium de 3 pouces ont été utilisées, mais c'est uniquement parce que notre chambre de croissance dans le laboratoire n'est pas conçue pour gérer de plus grandes plaquettes de silicium, " dit-il. " Il n'y a aucune raison que cela ne puisse pas être fait sur des plaquettes de silicium commerciales de 10 pouces. "

Un avantage supplémentaire en plus d'un taux de croissance beaucoup plus rapide est un coût considérablement réduit pour produire des substrats d'oxyde. Avec des prix une fraction du coût des substrats d'oxyde en vrac actuellement disponibles, les chercheurs en bénéficieraient également, conduisant à des expériences de couches minces d'oxyde plus complexes et donc à des progrès plus rapides dans ce domaine de recherche. Étant donné que les propriétés des oxydes complexes fonctionnels couvrent une large gamme, les technologies futures possibles activées par et bénéficiant de substrats virtuels d'oxydes complexes évolutifs sont répandues :des ordinateurs quantiques basés sur des qubits supraconducteurs, capteurs, des actionneurs et des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) jusqu'aux dispositifs agiles en fréquence qui sont envisagés pour les futures normes de fréquence de diffusion dans les réseaux 5G.

Auteurs supplémentaires sur le papier, publié en ligne dans Communication Nature , intitulé "Mise à l'échelle des taux de croissance des substrats virtuels d'oxyde de pérovskite sur du silicium, " sont le doctorant et auteur principal Jason Lapano, ancien chercheur postdoctoral Matthew Brahlek, ancien étudiant diplômé Lei Zhang, doctorat actuel l'étudiant Joseph Roth et le chercheur postdoctoral actuel Alexej Pogrebnyakov.