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Oxide Films and Devices

 

随着现代电子科学技术及其相关产业的飞速发展,传统的微电子工艺已无法满足现有的对于芯片小型化、更高集成度和更低能耗的需求。后摩尔时代的信息处理越来越依赖于新原理、新材料和新器件的精确设计与交叉科学研究。当传统半导体晶体管尺寸逐渐达到物理极限、热耗散问题愈发突出时,人们已把目光转移到包含有更加丰富物理特性的关联氧化物量子电子体系中。

与传统半导体相比,过渡金属氧化物的晶格、电荷、自旋和轨道等多个自由度存在耦合与竞争,这使得异质界面处由于晶格的局域畸变、对称性破缺及其相互作用(如:双交换、超交换、Jahn-Teller 畸变、电声子相互作用)导致多种序参量的突变和涌现新奇(emergent)的界面量子态。其中最典型且最独特的是在过渡金属氧化物异质界面处诱导的二维电子气(2DEG)。2004年,美国贝尔实验室的Hwang等人在两种能带绝缘体极性/非极性LaAlO3/SrTiO3异质界面处首次观察到类似传统半导体异质结中出现的高迁移率2DEG,从而掀起了过渡金属氧化物界面2DEG研究的热潮。此外,界面处还蕴含有其它新奇的量子态和现象,如:界面铁磁、界面超导、铁磁与超导共存、任意“书写”和“擦除”的导电沟道和量子振荡效应等。目前,过渡金属氧化物界面2DEG已具备成熟的半导体工艺技术,可对它进行大规模的集成。正如诺贝尔物理学奖得主Kroemer所说:“界面即器件”。因此,操控过渡金属氧化物界面的物性无论在基础研究还是器件应用方面均极具价值。

 

References:

1. Nature 427, 423(2004).

2. Nano Lett. 17, 6878(2017).

3. Adv. Electron. Mater.4, 1800055 (2018).

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School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University
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