Команда из Университета штата Северная Каролина совместно с Управлением армейских научных исследований США представила метод интеграции широкого класса функциональных материалов в стандартные кремниевые чипы (сделанные из диоксида кремния). Ключом стали специально подобранные буферные тонкие плёнки на основе оксидов редких и редкоземельных элементов, которые обеспечивают согласование решёток и совместимость процессов с кремниевой технологией. По оценке авторов, подход открывает новые возможности для умных сенсоров, энергонезависимой памяти, светодиодов и микроэлектромеханических систем.
Проблема в том, что многие перспективные оксидные материалы — ферроэлектрики, мультиферроики, топологические изоляторы — обычно выращивают на подложках, несовместимых с кремнием по параметрам решётки, термической стойкости и требованиям к чистоте процессов. Это затрудняет прямую интеграцию с КМОП. Новый метод вводит «промежуточные платформы» из стабильных тонких плёнок, которые понижением уровня несоответствий берут на себя роль адаптера между кремнием и сложными оксидными слоями.
Какие материалы и буферы использовали
Исследователи применили два базовых совместимых с кремнием «якоря»: нитрид титана (TiN) — широко используемый проводящий нитрид, хорошо вписывающийся в нитридную электронику, и стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) — типичный оксидный буфер с хорошей кристаллографической согласуемостью. Поверх них формируют каскады тонких пленок, состав которых подбирается под целевой материал:
- Для мультиферроиков использовали связку из четырёх слоев: TiN, MgO, SrO и La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). Такая последовательность выравнивает постоянные решётки и обеспечивает проводящий электрод/затравку для дальнейшего эпитаксиального роста.
- Для топологических изоляторов оказалась достаточной более простая пара: MgO + TiN, что минимизирует межфазные напряжения и дефекты.
Как это работает на уровне кристаллографии
Буферные плёнки выращивали методами тонкоплёночной эпитаксии, следуя концепции «совмещения доменов», предложенной Дж. Нараяном в 2003 году. Смысл в том, что несовпадение параметров решёток разбивается на регулярные домены и дислокации на границах, что позволяет поддерживать эпитаксию со сравнительно низкой плотностью дефектов вместо катастрофического накопления напряжений. В итоге верхние оксидные слои ориентируются согласованно с подложкой, сохраняя свои функциональные свойства, но будучи технологически совместимыми с кремнием.
Почему это важно для устройств
- Мультиферроики объединяют ферроэлектрические и ферромагнитные свойства, что критично для энергоэффективных спинтронных памяти и логики, гибридных сенсоров полей и актуаторов в MEMS.
- Топологические изоляторы проводят ток по поверхности с защищёнными состояниями — перспектива для низкопотерьных межсоединений, чувствительных датчиков, терагерцовой фотоники.
- Новые ферроэлектрики дают основу для неэнергозависимой памяти (FeRAM/FeFET), программируемых RF-компонентов и тюнингуемых резонаторов.
Технологическая зрелость и коммерциализация
Метод запатентован университетом; ведётся поиск промышленного партнёра для лицензирования и доводки до производственных регламентов. Критически важными этапами масштабирования станут: совместимость с температурными бюджетами КМОП-процесса, воспроизводимость толщин/напряжений на больших пластинах и внедрение измерений контроля качества на уровне кристалла.
Чем это отличается от существующих подходов
- В отличие от прямого выращивания оксидов на кремнии, каскадные буферы снижают плотность дефектов и термодинамические ограничения, сохраняя при этом приемлемые температуры процесса.
- По сравнению с переносом плёнок или интеграцией через гибридное 3D-монтаирование, эпитаксиальная схема даёт лучшую электрическую и тепловую связность и потенциал для более высокой надёжности.
Потенциальные направления развития
- Расширение библиотеки буферов под конкретные классические и «новые» оксиды, включая пьезоэлектрики для ультразвуковых MEMS и тюнингуемые диэлектрики для фазированных решёток.
- Интеграция со спинтронными материалами и 2D-слоями для гибридных архитектур.
- Оптимизация низкотемпературных режимов осаждения для полной совместимости с задними уровнями металлизации в КМОП.
Подробности описаны в журнале Applied Physics Reviews.