Sviluppo di AlScN piezoelettrico ad alte prestazioni per sistemi microelettromeccanici: Verso una struttura ferroelettrica wurtzite

Titolo originale:

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

Contenuto del libro:

L'uso di film sottili piezoelettrici e ferroelettrici è un approccio promettente per aumentare significativamente la funzionalità dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) e della microelettronica in generale. Poiché le prestazioni del dispositivo sono direttamente collegate alle proprietà del film funzionale, nuovi e migliori materiali piezoelettrici e ferroelettrici possono consentire una sostanziale innovazione tecnologica.

Questa tesi si è concentrata sul miglioramento delle proprietà piezoelettriche dell'AlN mediante la formazione di soluzioni solide con l'ScN e comprende la prima osservazione sperimentale della ferroelettricità nell'AlScN, e quindi la prima scoperta della ferroelettricità in un materiale a base di semiconduttori III-V in generale. Rispetto all'AlN, nell'AlScN sono stati realizzati coefficienti piezoelettrici fino al 450% superiori, con il d33f che ha raggiunto un massimo di 17,2 pm/V e l'e31f che ha raggiunto 3,2 C/m. In questo contesto, è stata riportata l'identificazione e la successiva rettifica di un'importante instabilità morfologica in AlScN, che diventa più pronunciata con l'aumento del contenuto di Sc.

Pertanto, è stato possibile depositare film privi di disomogeneità morfologiche con proprietà piezoelettriche prossime a quelle ideali fino allo 0,43% di ScN. Il controllo dello stress intrinseco del film è stato dimostrato in un ampio intervallo, da forte trazione a forte compressione, per tutti i contenuti di Sc studiati.

I migliori coefficienti piezoelettrici, insieme alla possibilità di controllare le sollecitazioni, hanno permesso la fabbricazione di strutture MEMS sospese con coefficienti di accoppiamento elettromeccanico migliorati di oltre il 320% rispetto all'AlN. La ferroelettricità in AlScN è stata osservata a partire da un contenuto di ScN del 27%.

La sua comparsa è legata alla stessa evoluzione graduale dalla struttura wurtzite iniziale alla struttura esagonale stratificata che causa anche l'aumento dei coefficienti piezoelettrici all'aumentare del contenuto di Sc. L'AlScN ferroelettrico ha permesso la prima osservazione sperimentale della polarizzazione spontanea della struttura wurtzite e c.