Development of High Performance Piezoelectric AlScN for Microelectromechanical Systems: Towards a Ferroelectric Wurtzite Structure
Zastosowanie cienkich warstw piezoelektrycznych i ferroelektrycznych jest obiecującym podejściem do znacznego zwiększenia funkcjonalności systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), a także mikroelektroniki w ogóle. Ponieważ wydajność urządzenia staje się bezpośrednio związana z właściwościami warstwy funkcjonalnej, nowe i ulepszone materiały piezoelektryczne i ferroelektryczne mogą pozwolić na znaczne innowacje technologiczne.
Niniejsza rozprawa doktorska koncentruje się na poprawie właściwości piezoelektrycznych AlN poprzez tworzenie roztworów stałych z ScN i obejmuje pierwszą eksperymentalną obserwację ferroelektryczności w AlScN, a tym samym pierwsze odkrycie ferroelektryczności w materiale półprzewodnikowym III-V w ogóle. W porównaniu z AlN, w AlScN uzyskano współczynniki piezoelektryczne wyższe nawet o 450%, przy czym d33f osiągnął maksimum 17,2 pm/V, a e31f osiągnął 3,2 C/m. W tym kontekście zidentyfikowano i następnie skorygowano główną niestabilność morfologiczną w AlScN, która staje się bardziej wyraźna wraz ze wzrostem zawartości Sc.
Tak więc, warstwy wolne od morfologicznych niejednorodności o właściwościach piezoelektrycznych zbliżonych do idealnych mogą być osadzane do 0,43% ScN. Kontrola naprężeń własnych warstwy została zademonstrowana w szerokim zakresie od silnie rozciągającego do silnie ściskającego dla wszystkich badanych zawartości Sc.
Poprawione współczynniki piezoelektryczne wraz z możliwością kontroli naprężeń pozwoliły na wytworzenie podwieszanych struktur MEMS o współczynnikach sprzężenia elektromechanicznego poprawionych o ponad 320% w stosunku do AlN. Ferroelektryczność w AlScN zaobserwowano począwszy od zawartości ScN wynoszącej 27%.
Jej pojawienie się było związane z tą samą stopniową ewolucją od początkowej struktury wurtzytu do warstwowej struktury heksagonalnej, która również powoduje zwiększone współczynniki piezoelektryczne przy zwiększaniu zawartości Sc. Ferroelektryczny AlScN pozwolił na pierwszą eksperymentalną obserwację spontanicznej polaryzacji struktury wurcytu i c.