Dezvoltarea de AlScN piezoelectric de înaltă performanță pentru sisteme microelectromecanice: Către o structură feroelectrică wurtzită

Titlul original:

Development of High Performance Piezoelectric AlScN for Microelectromechanical Systems: Towards a Ferroelectric Wurtzite Structure

Conținutul cărții:

Utilizarea straturilor subțiri piezoelectrice și feroelectrice este o abordare promițătoare pentru creșterea semnificativă a funcționalității sistemelor microelectromecanice (MEMS), precum și a microelectronicii în general. Deoarece performanța dispozitivului devine astfel direct legată de proprietățile filmului funcțional, materialele piezoelectrice și feroelectrice noi și îmbunătățite pot permite inovații tehnologice substanțiale.

Această teză s-a concentrat pe îmbunătățirea proprietăților piezoelectrice ale AlN prin formarea de soluții solide cu ScN și include prima observație experimentală a feroelectricității în AlScN și, astfel, prima descoperire a feroelectricității într-un material pe bază de semiconductor III-V în general. Comparativ cu AlN, în AlScN au fost realizați coeficienți piezoelectrici cu până la 450% mai mari, d33f atingând un maxim de 17,2 pm/V și e31f ajungând la 3,2 C/m. În acest context, a fost raportată identificarea și rectificarea ulterioară a unei instabilități morfologice majore în AlScN care devine mai pronunțată odată cu creșterea conținutului de Sc.

Astfel, filmele lipsite de neomogenități morfologice cu proprietăți piezoelectrice apropiate de ideal au putut fi depuse până la 0,43% ScN. Controlul tensiunii intrinseci a filmului a fost demonstrat pe o gamă largă de la tracțiune puternică la compresiune puternică pentru toate conținuturile de Sc investigate.

Coeficienții piezoelectrici îmbunătățiți, împreună cu posibilitatea de control al tensiunilor, au permis fabricarea de structuri MEMS suspendate cu coeficienți de cuplare electromecanică îmbunătățiți cu peste 320% față de AlN. Ferroelectricitatea în AlScN a fost observată începând cu un conținut de ScN de 27%.

Apariția sa a fost legată de aceeași evoluție treptată de la structura wurtzită inițială la structura hexagonală stratificată care determină, de asemenea, creșterea coeficienților piezoelectrici odată cu creșterea conținutului de Sc. AlScN feroelectric a permis prima observare experimentală a polarizării spontane a structurii wurtzite și c.