Desarrollo de AlScN piezoeléctrico de alto rendimiento para sistemas microelectromecánicos: Hacia una estructura wurtzita ferroeléctrica

Título original:

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

Contenido del libro:

El uso de láminas delgadas piezoeléctricas y ferroeléctricas es un enfoque prometedor para aumentar significativamente la funcionalidad de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), así como de la microelectrónica en general. Dado que el rendimiento del dispositivo está directamente relacionado con las propiedades de la película funcional, los materiales piezoeléctricos y ferroeléctricos nuevos y mejorados pueden permitir una innovación tecnológica sustancial.

Esta tesis se centra en la mejora de las propiedades piezoeléctricas del AlN mediante la formación de soluciones sólidas con ScN e incluye la primera observación experimental de ferroelectricidad en AlScN, y por tanto el primer descubrimiento de ferroelectricidad en un material basado en un semiconductor III-V en general. En comparación con el AlN, en el AlScN se observaron coeficientes piezoeléctricos hasta un 450% superiores, alcanzando d33f un máximo de 17,2 pm/V y e31f de 3,2 C/m. En este contexto, se informó de la identificación y posterior rectificación de una importante inestabilidad morfológica en AlScN que se hace más pronunciada con el aumento del contenido de Sc.

Así, se pudieron depositar películas libres de inhomogeneidades morfológicas con propiedades piezoeléctricas próximas a las ideales hasta un 0,43% de ScN. Se demostró el control de la tensión intrínseca de la película en un amplio rango, desde fuertemente traccionada a fuertemente comprimida, para todos los contenidos de Sc investigados.

Los coeficientes piezoeléctricos mejorados, junto con la posibilidad de controlar la tensión, permitieron la fabricación de estructuras MEMS suspendidas con coeficientes de acoplamiento electromecánico mejorados en más de un 320% con respecto al AlN. La ferroelectricidad en AlScN se observó a partir de contenidos de ScN del 27%.

Su aparición estaba relacionada con la misma evolución gradual de la estructura wurtzita inicial a la estructura hexagonal estratificada que también provoca la mejora de los coeficientes piezoeléctricos al aumentar el contenido de Sc. El AlScN ferroeléctrico permitió la primera observación experimental de la polarización espontánea de la estructura wurtzita y c.