Development of High Performance Piezoelectric AlScN for Microelectromechanical Systems: Towards a Ferroelectric Wurtzite Structure
Použitie piezoelektrických a feroelektrických tenkých vrstiev je sľubným prístupom k výraznému zvýšeniu funkčnosti mikroelektromechanických systémov (MEMS), ako aj mikroelektroniky vo všeobecnosti. Keďže výkon zariadenia sa tak stáva priamo spojený s vlastnosťami funkčnej vrstvy, nové, ako aj vylepšené piezoelektrické a feroelektrické materiály môžu umožniť zásadné technologické inovácie.
Táto dizertačná práca sa zamerala na zlepšenie piezoelektrických vlastností AlN vytvorením tuhých roztokov so ScN a zahŕňa prvé experimentálne pozorovanie feroelektricity v AlScN, a tým aj prvý objav feroelektricity v materiáli na báze III-V polovodičov vo všeobecnosti. V porovnaní s AlN boli v AlScN realizované piezoelektrické koeficienty, ktoré sú až o 450 % vyššie, pričom d33f dosahuje maximum 17,2 pm/V a e31f dosahuje 3,2 C/m. V tejto súvislosti bola zaznamenaná identifikácia a následná náprava hlavnej morfologickej nestability v AlScN, ktorá sa stáva výraznejšou so zvyšujúcim sa obsahom Sc.
Takto bolo možné deponovať filmy bez morfologických nehomogenít s takmer ideálnymi piezoelektrickými vlastnosťami až do 0,43 % ScN. Kontrola vlastného napätia filmu bola preukázaná v širokom rozsahu od silne ťahového po silne tlakové pre všetky skúmané obsahy Sc.
Zlepšené piezoelektrické koeficienty spolu s možnosťou kontroly napätia umožnili výrobu zavesených štruktúr MEMS s koeficientmi elektromechanickej väzby zlepšenými o viac ako 320 % v porovnaní s AlN. Feroelektrickosť v AlScN bola pozorovaná od obsahu ScN 27 %.
Jej vznik súvisel s rovnakým postupným vývojom od počiatočnej wurtzitovej štruktúry k vrstevnatej hexagonálnej štruktúre, ktorá tiež spôsobuje zvýšenie piezoelektrických koeficientov pri zvyšovaní obsahu Sc. Feroelektrický AlScN umožnil prvé experimentálne pozorovanie spontánnej polarizácie wurtzitovej štruktúry a c.