电子气制备多功能晶体管


  法国研究人员成功创造了一种导电层,是在钛酸锶(SrTiO3:strontium titanate)表面制成,钛酸锶是一种透明的绝缘材料,被认为非常有前途,可用于开发未来的微电子应用产品。

  这种两纳米厚的导电层是一种二维金属电子气(2DEG:two-dimensional metallic electron gas),是部分绝缘材料。因容易生产,就开辟了新的可能性,使一些电子产品可以依赖过渡金属氧化物,就是钛酸锶(SrTiO3)系列,这就可以充分利用这些材料的广泛的物理属性(超导性,磁性,热电等),集成大量不同的功能,就集成到一个单一的微电子装置。有一篇论文解释,这是个意外的发现,这项研究是在太阳同步加速器所(SOLEIL synchrotron)进行,论文发表在2011年1月13日的《自然》杂志上。

  今天的微电子组件包含的各层半导体都是在硅基质上。为了保持步调,周期性地升级性能,微电子器件在2020年以后的替代技术方案正在研究。研究人员正越来越多地把注意力转移到过渡金属氧化物,这种氧化物提供了有前途的物理特性,如超导,磁阻,热电,多铁性和光催化性能。

  在这个系列材料内,钛酸锶已是广泛研究的主题。这种绝缘材料可成为一种良好的导电体,它被掺杂时就是这样,例如,可以做很少的表面氧空缺(oxygen vacancies)。这种界面在钛酸锶和其它氧化物( 钛酸镧:LaTiO3;或铝酸镧:LaAlO3 )之间,就是导电的,这两种材料是绝缘体样。此外,他们提供的性能,比如超导,磁阻和热电,在室温下有非常好的表现。但问题是,这种界面是在氧化物之间,非常难以制备。

  现在,一个意外的发现突破了这一技术障碍。一个国际研究小组牵头的研究人员在法国国家科学研究中心(CNRS)和巴黎十一大学(Université Paris-Sud 11)制成了二维金属电子气(2DEG),是在钛酸锶表面制成。这种导电层大约两纳米厚,制备工艺真空裂解一片钛酸锶,这是一个非常简单和经济的工艺。钛酸锶的构成要素是自然资源,可大量获得,这种化合物是无毒的,不像一些材料,如铋碲化物(bismuth tellurides),今天仍然广泛应用于微电子产品。此外,二维金属电子气制备所用表面也可以是其他过渡金属氧化物,需要采用类似的技术。

  发现这种类型的导电层(不需要增加一层其他材料)是一个重大进步,可用于基于氧化物的微电子产品。这就有可能结合具有多功能属性的过渡金属氧化物与二维金属,就在其表面结合。可能的开发包括耦合铁电氧化物(ferroelectric oxide)与电子气,就在其表面耦合,以制成非易失性存储器(non-volatile memories),或是把透明电路集成到太阳能电池或触摸屏表面。

  二维电子气在钛酸锶表面的识别和研究,在实验中是使用角分辨光电子谱(ARPES :Angle Resolved Photoelectron Spectroscope),是在太阳同步加速器所(SOLEIL synchrotron)进行,就在法国圣欧班(Saint-Aubin),参与研究的同步辐射中心(Synchrotron Radiation Center)位于美国威斯康星大学(University of Wisconsin)。