Layering, Understanding, Controlling and Integrating Ferroelectric Polar Textures on Silicon

Projektbeschreibung

Wie winzige elektrische Muster zu energieeffizienteren elektronischen Bauelementen beitragen könnten

Ferroelektrische Materialien sind etwas Besonderes, da sie eine elektrische Polarisation speichern können, was sie für Speicher und elektronische Bauelemente nützlich erscheinen lässt. Vor kurzem entdeckte die Wissenschaft neue, winzige polare Muster in diesen Materialien (Wirbel, Skyrmionen), die zu ultrakompakten und energieeffizienten Bauelementen beitragen könnten. Diese Muster sind jedoch nur auf speziellen Oxidsubstraten, nicht aber auf Silizium untersucht worden, das die Grundlage des Großteils der modernen Elektronik bildet. Das Team des ERC-finanzierten Projekts LUCIOLE verfolgt das Ziel, diese fortgeschrittenen ferroelektrischen Texturen auf Silizium zu übertragen. Die Forschungsgruppe wird modernste Verfahren wie die Molekularstrahlepitaxie einsetzen und Halbleitertechnologien anwenden, um diese Texturen zu züchten und zu steuern. Im Rahmen der vorgeschlagenen Forschungsarbeiten wird erkundet, wie diese Muster auf Silizium zu stabilisieren sind und wie sie sich unter Einwirkung eines elektrischen Felds verhalten, woraus die Entwicklung elektronischer Bauelemente der nächsten Generation resultieren wird.

Ziel

Ferroelectric materials have been known, and their fascinating properties exploited for more than 100 years. Still, in recent years, exotic polar textures resembling those found in magnetic materials have been unraveled in nanoscale ferroelectric perovskite oxides, such as flux closure domains, curling polarization, vortices, and the groundbreaking discoveries of polar skyrmions and merons in 2019/2020. Polar textures hold huge promise for novel robust topological electronic devices such as ultra-compact (> Tbit/in2) memories. However, so far, nanoscale polar domains have only been studied on special oxide substrates (e.g. SrTiO3), which precludes practical applications. I propose to take a revolutionary approach to the field of topological polar textures by bringing them to the realm of the Si platform. Not only is this necessary to implement energy-efficient nanodevices, but Si material and advanced CMOS semiconductor technologies offer multiple unexplored ways to engineer mechanical and electrical boundary conditions in ultrathin films and nanostructures of transition metal oxides.
With LUCIOLE, I will push the limits in the exploration and future harnessing of emergent states in ferroics with the following objectives:
- Create monolithically-integrated topological polar textures on silicon by molecular beam epitaxy and atomic layer deposition of epitaxial and glass-composite nanoscale ferroelectrics using strain, confinement and frustration engineering.
- Understand the polar textures created on silicon by combining advanced state-of-the-art correlative microscopies and spectroscopies at the nanoscale, including operando time-resolved methods.
- Integrate ferroelectrics at the nanoscale at the front-end- and back-end-of-line of Si chips in sub-500 nm two- and three-terminal devices with tunable stress and study their manipulation under electric field by statistically screening their properties at the wafer scale to unveil potentially rich behavioral patterns.