Načrtovanje oksidov na siliciju za elektroniko prihodnosti
Oznaka in naziv projekta
J2-9237 Načrtovanje oksidov na siliciju za elektroniko prihodnosti / Engineering of oxides on silicon for future electronics
J2-9237 Engineering of oxides on silicon for future electronics
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: doc. dr. Matjaž Spreitzer, Odsek za raziskave sodobnih materialov, Institut "Jožef Stefan
Raziskovalci:
- Institut "Jožef Stefan": doc. dr. Srečo Škapin, prof. dr. Danilo Suvorov, dr. Marjeta Maček Kržmanc, dr. Zoran Jovanović, dr. Urška Gabor, Tjaša Parkelj Potočnik, Vesna Butinar, David Fabijan, Damjan Vengust
- Kemijski inštitut: dr. Elena Chernyshova, prof. dr. Miran Gaberšček, izr. prof. dr. Marta Klanjšek Gunde, dr. Francisco Ruiz Zepeda, prof. dr. Goran Dražić
Vsebinski opis projekta
Namen predlaganega raziskovalnega projekta je razvoj tehnoloških postopkov za industrijsko-primerno izdelavo epitaksialnih oksidnih plasti na silicijevih substratih. S tovrstno popolno integracijo bomo številne raznovrstne lastnosti oksidov in njihovih heterostruktur uspešno prenesli v dobro-razvite silicijeve tehnologije ter jih bodo tako lahko izkoriščali v mnogih napravah. Razlog za izvedbo te raziskave je pomanjkanje tržno sprejemljivih tehnologij, ki so zmožne združiti tako različne materiale. Epitaksija z molekularnim curkom (MBE), ki omogoča visoko-kakovostno rast oksidov na silicijevih rezinah, izkazuje zelo nizko hitrost rasti s slabo ponovljivostjo. V projektu predlagamo uporabo tehnologije pulznega laserskega nanašanja (PLD), ki lahko uspešno reši težave, povezane z MBE, obenem pa ohrani nadzor nad rastjo na atomskem nivoju. Spremembo tehnologije podpira dejstvo, da so PLD sistemi za nanos na velike površine zdaj komercialno dostopni in omogočajo homogeno rast na 8-inčnih rezinah z zelo visoko hitrostjo rasti 50 nm/min.
Zaradi različnih lastnosti oksidov in silicija je za popolno združitev najprej potrebno dobro razumeti dotične vmesne sloje, kar definira prvi cilj projekta. Zato je potrebno razviti predloge, ki bodo omogočale enostavno nadaljnjo rast različnih oksidov. Prvi rezultat projekta torej cilja na pripravo visoko-kakovostne tanke plasti SrTiO3 na silicijevih substratih. Ker je rast začetne oksidne plasti izjemno občutljiva zaradi visoke reaktivnosti vmesnega sloja med silicijem in oksidi ter ima pri doseganju popolne epitaksije najpomembnejšo vlogo, bodo vmesni sloji optimizirani z uporabo številnih naprednih in situ analiznih tehnik, kot so refleksijska visoko-energijska elektronska difrakcija, rentgenska fotoelektronska spektroskopija in vrstična tunelska mikroskopija. Termodinamska stabilnost različnih stehiometrijskih modelov vmesnega sloja silicij-oksid bo preiskovana z uporabo izračunov teorije gostotnega funkcionala. To nam bo omogočilo načrtovanje pufrske plasti s superiornimi lastnostmi s trajnejšim in atomsko ostrim stikom med sestavnima deloma. To je prva tovrstna študija in pričakujemo, da bo zagotovila neprimerljiv vpogled v edinstvene lastnosti vmesnih slojev silicij-oksidi, pripravljenih s PLD.
Mikroelektromehanski sistemi so med najhitreje razvijajočo se tehnologijo ter izkazujejo velik potencial za napredne naprave. Med številnimi možnostmi se osredotočamo na naprave za pridobivanje energije (EH), ki lahko proizvajajo elektriko iz odpadnih vibracij s številnimi možnimi aplikacijami. Najsodobnejši EH izkoriščajo epitaksialne plasti Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), pripravljene na siliciju s kombinacijo naprševanja in MBE. Vendar zaradi slabosti, povezanih s tehniko MBE, komercializacija razvitih materialov ni mogoča. Zato je funkcionalizacija pripravljenih predlog z visoko-kakovostnimi plastmi PMN-PT z uporabo PLD tehnologije predlagana kot drugi cilj projekta. Zaradi okoljskih težav, povezanih s spojinami, ki vsebujejo svinec, bodo prav tako preiskovane heterostrukture na osnovi Na0.5Bi0.5TiO3. Tako pripravljeni piezoelektriki bodo nadalje obdelani in integrirani v prototipne EH naprave in validirani z elektronskim vezjem, specifičnim za dotično aplikacijo. Kot del drugega cilja je prav tako predlagana funkcionalizacija silicija s heterostrukturami LaAlO3-SrTiO3, ki omogočajo tvorbo dvo-dimenzionalnega elektronskega plina na njunem vmesnem sloju. Prevodnost vmesnega sloja v odvisnosti od električnega polja v tem sistemu bo testirana kot kanal med odvodom in virom v tranzistorjih na osnovi električnega polja tipa n, ki bo nadalje povezan v kompleksnejša vezja. Drugi rezultat projekta je torej izdelava smernic za uspešno funkcionalizacijo silicijevih substratov z uporabo ustreznih piezoelektrikov in heterostruktur ter prikaz novih oksidnih naprav na silicijevi platformi za elektroniko naslednje generacije.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta
Raziskovalni program je razdeljen v sledeče delovne pakete (WP):
1. Raziskava vmesnih slojev silicij – oksid (WP1)
2. Funkcionalizacija predlog (WP2)
3. Validacija (WP3)
4. Znanstvena koordinacija, upravljanje in diseminacija (WP4).