前沿技术 | 可转移的单晶AlN纳米膜、共掺杂AlN薄膜

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可转移单晶AlN纳米膜的合成与性能研究

单晶无机半导体纳米膜（NMs）在过去十年中引起了极大的关注，这为复杂的器件集成带来了巨大的优势。研究人员已经用各种半导体纳米膜证明了在异质电子和柔性电子中的应用。单晶氮化铝(AlN)作为一种超宽带隙半导体，在高功率电子等应用中具有巨大潜力，但其纳米膜形式尚未得到证实。该工作展示了高质量单晶AlN纳米膜的创建、转印和特性。这项工作成功地将Al纳米膜转移到各种异质基板上。纳米膜的结晶质量已通过转印前后的广泛技术进行了表征，并且未观察到晶体质量下降。在比较原始生长的AlN外延和转移的Al纳米膜时，观察到拉伸应力的部分松弛。此外，转移的AlN纳米膜在纳米尺度上表现出压电性，这已通过压电显微镜得到证实。这项工作还评论了该方法的优点和挑战。潜在地，这种新方法为基于AlN的异质集成和未来新型电子学和光电子学的发展开辟了一条可行的道路。

图：a)光学显微镜图像，b、c)扫描电子显微镜图像的单晶氮化铝(AlN)纳米膜(NM)转移到硅(Si)(100)衬底上，该衬底具有一系列图案六边形柱。d) AlN (0001)/Al (111)/Si(111)外延硅片(上)和AlN(10001)纳米转移到平面衬底(下)的示意图。e)在蓝宝石(0001)衬底上生长的AlN epi和转移的AlN NM的x射线衍射(XRD) 2theta-omega扫描，f)拉曼光谱。h,i)单晶AlN NM的原子力显微镜图像

图：转移的AlN纳米膜的微观结构分析

相关研究成果以“Synthesis and Characteristics of Transferrable Single-Crystalline AlN Nanomembranes”发表于Advanced Electronic Materials上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aelm.202201309

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BAW器件共掺杂AlN薄膜机电耦合系数

与掺杂浓度的关系

Yokoyama等人制备了压电共掺杂(Mg,Hf)xAl1-xN薄膜，其中掺杂浓度x在0 ~ 0.13范围内。在Si(100)衬底上用双磁控管在两个环形靶之间施加交流电源，制备了(Mg,Hf)xAl1-xN薄膜。靶材成分为纯Al和Al- mg - hf金属。通过调节两个环形靶之间的直流偏置功率来控制薄膜的组成。利用x射线衍射(XRD)和压电计对薄膜的晶体结构和压电系数d33进行了研究。XRD测试表明，浓度x的增加不影响AlN的c轴取向，导致晶格常数比c/a的降低。(Mg,Hf)xAl1-xN薄膜的d33随浓度x的增加而增加。(Mg,Hf)xAl1-xN的d33和我们之前报道的(Mg,Zr)xAl1-xN对于c/a的变化具有相同的线性关系。此外，利用这些薄膜制备了薄膜体声谐振器(FBARs)，并将其表征为浓度x的函数。制备的FBARs的机电耦合系数k2与浓度x成比例地增加。这些改善的k2是压电常数e33增加和弹性常数C33降低的直接结果。(Mg,Hf)xAl1-xN的这些行为与ScxAl1-xN的行为一致，表明Mg-Hf共掺杂和Sc掺杂对AlN的压电性能和k2的改善效果相同。

图：(Mg,Hf)xAl1-xN薄膜的XRD谱图

图：(Mg,Hf)xAl1-xN薄膜晶格常数比c/a与掺杂剂浓度x的关系

相关研究成果以“Dopant concentration dependence of electromechanical coupling coefficients of co-doped AlN thin films for BAW devices”发表于2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) 上。

论文链接：

https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2016.7728552

来源：集成电路材料研究

中国科学院上海微系统与信息技术研究所

周琮泉、赵佳