Development of High Performance Piezoelectric AlScN for Microelectromechanical Systems: Towards a Ferroelectric Wurtzite Structure
Die Verwendung piezoelektrischer und ferroelektrischer Dünnschichten ist ein vielversprechender Ansatz, um die Funktionalität von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und der Mikroelektronik im Allgemeinen deutlich zu erhöhen. Da die Leistung der Bauelemente somit direkt mit den Eigenschaften der Funktionsschicht zusammenhängt, können neue und verbesserte piezoelektrische und ferroelektrische Materialien wesentliche technologische Innovationen ermöglichen.
Diese Dissertation konzentrierte sich auf die Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften von AlN durch die Bildung von festen Lösungen mit ScN und beinhaltet die erste experimentelle Beobachtung von Ferroelektrizität in AlScN und damit die erste Entdeckung von Ferroelektrizität in einem III-V-Halbleitermaterial im Allgemeinen. Im Vergleich zu AlN wurden in AlScN um bis zu 450% höhere piezoelektrische Koeffizienten realisiert, wobei d33f ein Maximum von 17,2 pm/V und e31f von 3,2 C/m erreicht. In diesem Zusammenhang wurde über die Identifizierung und anschließende Behebung einer größeren morphologischen Instabilität in AlScN berichtet, die mit zunehmendem Sc-Gehalt stärker ausgeprägt ist.
So konnten Filme ohne morphologische Inhomogenitäten mit nahezu idealen piezoelektrischen Eigenschaften bis zu 0,43 % ScN abgeschieden werden. Für alle untersuchten Sc-Gehalte konnte eine Kontrolle der intrinsischen Filmspannung über einen breiten Bereich von starkem Zug bis zu starkem Druck nachgewiesen werden.
Die verbesserten piezoelektrischen Koeffizienten in Verbindung mit der Möglichkeit der Spannungskontrolle ermöglichten die Herstellung von aufgehängten MEMS-Strukturen mit elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, die im Vergleich zu AlN um mehr als 320 % verbessert wurden. Ferroelektrizität in AlScN wurde ab einem ScN-Gehalt von 27 % beobachtet.
Ihr Auftreten war mit der gleichen allmählichen Entwicklung von der anfänglichen Wurtzitstruktur zur geschichteten hexagonalen Struktur verbunden, die auch die erhöhten piezoelektrischen Koeffizienten bei steigendem Sc-Gehalt verursacht. Ferroelektrisches AlScN ermöglichte die erste experimentelle Beobachtung der spontanen Polarisation der Wurtzit-Struktur und des c.
| ISBN: | 9783750431423 |
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| Einband: | Taschenbuch |
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