能適應環境的可控材料

材料牛注：近來，因為在未來的降維半導體器件應用中擁有的巨大潛力，大介電常數材料（即“高-k材料”）受到了大家的廣泛關注。 下面小編就帶大家了解一下來自UCSB的大介電常數材料的新進展。

近來，因為在未來的降維半導體器件應用中擁有的巨大潛力，大介電常數材料（即“高-k材料”）受到了大家的廣泛關注。

例如，鈦酸鍶鋇這種本身有可隨外加電場變化的大介電常數的材料。盡管半個多世紀以前人們已經知道然這一屬性，并且許多研究人員試圖對其加以利用，但是材料的質量缺陷（由半導體行業標準來判斷，材料被認為是有缺陷的）限制了技術的發展。

加利福尼亞大學（UCSB）的研究人員Santa Barbara，在二十年前開始探索利用濺射材料制作薄膜可調介質，并且現在正試圖用滿足現代半導體技術標準的高品質材料為原材料，利用如分子束外延（MBE）等先進材料沉積技術來制作可調的高頻集成電路與器件。

研究人員在Applied Physics Letters中指出，通過利用高品質的外延材料可大幅降低鐵電可調射頻(RF)電容器的介電損耗。像這種在基礎層面的進步，對可電重構或可調整以適應環境的射頻(RF)材料和器件打開了未來研究的大門。

但由于高溫和富氧環境，復雜氧化物的沉積（例如碳酸鍶鋇）是有問題的。加利福尼亞大學（UCSB）的材料學教授Susanne Stemmer 說道：“是最近UCSB一個關于在混合分子束外延（MBE）技術中利用金屬有機前體的研究取得了進展，才使得我們的工作得以進行。”

加利福尼亞大學（UCSB）的電氣與計算機工程系教授Robert York說：“大介電常數材料存在著制造方面的挑戰，因為薄膜本身的高電容密度要求電極更小，光刻技術更加精細，同時低損耗設備也是微波頻率方面的一個重要挑戰。材料科學家和電氣工程師的密切合作，以及在設備處理方面多年的經驗，是我們工作取得成功所不可或缺的。”

顯然，團隊的工作闡明了領域內早期的工作中是沉積和加工方法的限制使得BST型器件表現差強人意，而不是因為材料本身的限制。

Stemmer說：“我們的工作表明通過適當修正MBE系統（一種證明可用于化合物半導體材料的大規模加工技術）可用于沉積各種各樣的高品質材料。”

在應用方面，能夠電子方式改變的材料在自適應或可重構電子系統（尤其是高頻通信）中顯示了出巨大的潛力。York說：“例如，鈦酸鍶鋇的可調電容器可以用于蜂窩通信的可調諧天線，它允許小天線在很寬的頻率范圍內調諧，或使手機適應不同環境，以提高效率和電池壽命。”

鈦酸鍶鋇器件也可制造用于移動衛星通信系統中的相控陣天線的低成本移相器設備。York表示：“事實上，一些鈦酸鍶鋇設備已經用于商業射頻電子設備，并且沉積和制造基礎設施已經存在于大多數半導體代工廠，所以進一步發展的時間會比一般材料取得進展的時間要短。”

盡管對未來材料的探索以及加工設備的設計有許多研究途徑， 但是Stemmer說：“團隊的下一步是展示有薄膜直接沉積于金屬電極的沉積高性能集成電路，對于整合其他商業上可行的基板材料也感興趣。”

原文鏈接：Tuning materials and devices to adapt to their environment

文獻鏈接：(Ba,Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000

本文由材料人編輯部楊洪期提供素材，趙玲編譯，點我加入編輯部。