能适应环境的可控材料

材料牛注：近来，因为在未来的降维半导体器件应用中拥有的巨大潜力，大介电常数材料（即“高-k材料”）受到了大家的广泛关注。 下面小编就带大家了解一下来自UCSB的大介电常数材料的新进展。

近来，因为在未来的降维半导体器件应用中拥有的巨大潜力，大介电常数材料（即“高-k材料”）受到了大家的广泛关注。

例如，钛酸锶钡这种本身有可随外加电场变化的大介电常数的材料。尽管半个多世纪以前人们已经知道然这一属性，并且许多研究人员试图对其加以利用，但是材料的质量缺陷（由半导体行业标准来判断，材料被认为是有缺陷的）限制了技术的发展。

加利福尼亚大学（UCSB）的研究人员Santa Barbara，在二十年前开始探索利用溅射材料制作薄膜可调介质，并且现在正试图用满足现代半导体技术标准的高品质材料为原材料，利用如分子束外延（MBE）等先进材料沉积技术来制作可调的高频集成电路与器件。

研究人员在Applied Physics Letters中指出，通过利用高品质的外延材料可大幅降低铁电可调射频(RF)电容器的介电损耗。像这种在基础层面的进步，对可电重构或可调整以适应环境的射频(RF)材料和器件打开了未来研究的大门。

但由于高温和富氧环境，复杂氧化物的沉积（例如碳酸锶钡）是有问题的。加利福尼亚大学（UCSB）的材料学教授Susanne Stemmer 说道：“是最近UCSB一个关于在混合分子束外延（MBE）技术中利用金属有机前体的研究取得了进展，才使得我们的工作得以进行。”

加利福尼亚大学（UCSB）的电气与计算机工程系教授Robert York说：“大介电常数材料存在着制造方面的挑战，因为薄膜本身的高电容密度要求电极更小，光刻技术更加精细，同时低损耗设备也是微波频率方面的一个重要挑战。材料科学家和电气工程师的密切合作，以及在设备处理方面多年的经验，是我们工作取得成功所不可或缺的。”

显然，团队的工作阐明了领域内早期的工作中是沉积和加工方法的限制使得BST型器件表现差强人意，而不是因为材料本身的限制。

Stemmer说：“我们的工作表明通过适当修正MBE系统（一种证明可用于化合物半导体材料的大规模加工技术）可用于沉积各种各样的高品质材料。”

在应用方面，能够电子方式改变的材料在自适应或可重构电子系统（尤其是高频通信）中显示了出巨大的潜力。York说：“例如，钛酸锶钡的可调电容器可以用于蜂窝通信的可调谐天线，它允许小天线在很宽的频率范围内调谐，或使手机适应不同环境，以提高效率和电池寿命。”

钛酸锶钡器件也可制造用于移动卫星通信系统中的相控阵天线的低成本移相器设备。York表示：“事实上，一些钛酸锶钡设备已经用于商业射频电子设备，并且沉积和制造基础设施已经存在于大多数半导体代工厂，所以进一步发展的时间会比一般材料取得进展的时间要短。”

尽管对未来材料的探索以及加工设备的设计有许多研究途径， 但是Stemmer说：“团队的下一步是展示有薄膜直接沉积于金属电极的沉积高性能集成电路，对于整合其他商业上可行的基板材料也感兴趣。”

原文链接：Tuning materials and devices to adapt to their environment

文献链接：(Ba,Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000

本文由材料人编辑部杨洪期提供素材，赵玲编译，点我加入编辑部。