ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НИТРИДА АЛЮМИНИЯ-СКАНДИЯ В СОСТАВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОИСТЫХ СТРУКТУР С ПОДЛОЖКАМИ ИЗ СИНТЕТИЧЕСКОГО МОНОКРИСТАЛЛА АЛМАЗА
Аннотация
Рассмотрены вопросы технологии магнетронного осаждения в приложении к синтезу пленок твердого раствора замещения нитрида алюминия-скандия в широкой области концентраций скандия. На их основе получены пьезоэлектрические слоистые структуры с подложками из синтетического монокристалла алмаза, пригодные для реализации СВЧ многочастотных резонаторов на объемных акустических волнах вплоть до 20 ГГц. Исследованы физико-химические свойства нитрида алюминия-скандия, включая анализ кристаллической структуры методами рентгеновской дифракции и растровой электронной микроскопии. Для исследования шероховатости применяли методы зондовой микроскопии и оптической профилометрии. Проведен анализ качества полученных пленок на основе данных о полной ширине рефлекса (002) на половине высоты. Показано, что увеличение концентрации Sc приводит к возрастанию полной ширины рефлекса (002) на половине высоты, что может быть связано с возрастанием разупорядочения в структуре переходной фазы от вюрцита к каменной соли ScN. Увеличение концентрации Sc также приводит к систематическому уменьшению среднего размера кристаллитов. Начиная с концентраций скандия выше 25%, заметна тенденция на понижение степени текстурирования пленок ASN. Поэтому фактический пьезоэлектрический отклик будет снижаться, несмотря на увеличение коэффициента электромеханической связи. Тем самым область значений концентрации скандия, при которой достижимо наилучшее сочетание качества кристаллической структуры, текстуры пленок и пьезоэлектрических свойств нитрида алюминияскандия, лежит ниже 25%. Разработанные критерии совершенства осесимметричной текстуры в приложении к пленкам нитрида алюминия-скандия оказались удобными для анализа изменения качества пленок и дальнейшего совершенствования технологических процессов синтеза.
Литература
Akiyama M., Kamohara T., Kano K., Teshigahara A., Takeuchi Y., Kawahara N. Enhancement of piezoelectric response in scandium aluminum nitride alloy thin films prepared by dual reactive cosputtering. Adv. Mater. 2009. V. 21. P. 593–596. DOI: 10.1002/adma.200802611.
Akiyama M., Kano K., Teshigahara A. Influence of growth temperature and scandium concentration on piezoelectric response of scandium aluminum nitride alloy thin films. Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. P. 162107. DOI:
1063/1.3251072.
Yanagitani T., Suzuki M. Electromechanical coupling and gigahertz elastic properties of ScAlN films near phase
boundary. Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 122907. DOI: 10.1063/1.4896262.
Mishin S., Oshmyansky Yu. Manufacturability of highly doped Aluminum Nitride films. Proc. 2015 IEEE IFCSETFT. Apr 13. 2015 – Apr 15. 2015. Denver, CO, United States. P. 777–781.
Akiyama M., Umeda K., Honda A., Nagase T. Influence of scandium concentration on power generation figure of merit of scandium aluminum nitride thin films. Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 021915. DOI: 10.1063/1.4788728.
Elfrink R., Kamel T., Goedbloed M., Matova S., Hohlfeld D., Van Andel Y., Van Schaijk R. Vibration energy
harvesting with aluminum nitride-based piezoelectric devices. J. Micromech. Microeng. 2009. V. 19. P. 094005.
DOI: 10.1088/0960-1317/19/9/094005.
Mayrhofer P.M., Rehlendt C., Fischeneder M., Kucera M., Wistrela E., Bittner A., Schmid U. ScAlN MEMS cantilevers for vibrational energy harvesting purposes. J. Microelectromechanical Systems. 2017. V. 26. N 1. P. 102–112. DOI: 10.1109/JMEMS.2016.2614660.
Mayrhofer P.M., Wistrela E., Kucera M., Bittner A., Schmid U. Fabrication and characterization of ScAlNbased piezoelectric MEMS cantilevers. Proc. 2015 IEEE Transducers Conf. June 21-25. 2015. Anchorage. Alaska.
USA. P. 2144 – 2147.
Arakawa K., Yanagitani T., Kano K., Teshigahara A., Akiyama M. Deposition techniques of c-axis-tilted ScAlN
films by conventional RF magnetron sputtering. Proc. IEEE Ultrason. Symp. October 11-14. 2010. San Diego. CA. USA. P. 1050 – 1053.
Yanagitani T., Arakawa K., Kano K., Teshigahara A., Akiyama M. Giant shear mode electromechanical coupling coefficient k15 in c-axis tilted ScAlN films. Proc. IEEE Ultrason. Symp. October 11-14. 2010. San Diego.
CA. USA. P. 2095-2098.
Moreira M., Bjurström J., Katardjev I., Yantchev V. Aluminum scandium nitride thin-film bulk acoustic resonators for wide band applications. Vacuum. 2011. V. 86. P. 23–26. DOI: 10.1016/j.vacuum.2011.03.026.
Bartoli F., Moutaouekkil M., Streque J., Pigeat P., HageAli S., Boulet P., M’Jahed H., Elmazria O., Zhgoon S.,
Bartoli F., Aubert T., Bou Matar O., Talbi A. Theoretical and experimental study of ScAlN/Sapphire structure based
SAW sensor. Proc. 2017 IEEE Sensors Conf. October 29 – November 1, 2017. Glasgow. Scotland. UK. P. 1-3. DOI:
1109/ICSENS.2017.8233938.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Novoselov A.S., Burkov S.I., Shipilov A.B., Luparev N.V., Aksenenkov V.V., Blank V.D. Application of thin piezoelectric films in diamond-based acoustoelectronic devices. In: Piezoelectricity –
Organic and Inorganic Materials and Applications. Eds S. G. Vassiliadis, and D. Matsouka. Rijeka, Croatia: IntechOpen. 2018. Chap. 2. P. 15-41. DOI: 10.5772/intechopen.76715.
Sorokin B.P., Novoselov A.S., Kvashnin G.M., Luparev N.V., Asafiev N.O. Shipilov A.B., Aksenenkov V.V. Development and study of composite acoustic resonators with Al/(Al, Sc)N/Mo/diamond structure with a high Q factor in the UHF range. Acoust. Phys. 2019. V. 65. N 3. P. 263–268. DOI: 10.1134/S1063771019030072.
Tasnádi F., Alling B., Höglund C., Wingqvist G., Birch J., Hultman L., Abrikosov I.A. Origin of the anomalous
piezoelectric response in wurtzite ScxAl1-xN alloys. Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. N 13. P. 137601-1–137601-4.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.137601.
Wang W., Mayrhofer P.M., He X., Gillinger M., Ye Zh., Wang X., Bittner A., Schmid U., Luo J.K. High performance AlScN thin film based surface acoustic wave devices with large electromechanical coupling coefficient. Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 133502. DOI: 10.1063/1.4896853.
Matloub R., Artieda A., Sandu C., Milyutin E., Muralt P. Electromechanical properties of Al0.9Sc0.1N thin films
evaluated at 2.5 GHz film bulk acoustic resonators. Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. P. 092903. DOI: 10.1063/1.3629773.
Fichtner S., Wolff N., Lofink F., Kienle L., Wagner B. AlScN: A III-V semiconductor based ferroelectric. J. Appl.
Phys. 2019. V. 125. P. 114103. DOI: 10.1063/1.5084945.
Shvyd’ko Yu., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near100% Bragg reflectivity of X-rays. Nature Photonics. 2011.
V. 5. P. 539-542. DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.197.
Barth S., Bartzsch H., Gloess D., Frach P., Herzog T., Walter S., Heuer H. Sputter deposition of stresscontrolled piezoelectric AlN and AlScN films for ultrasonic and energy harvesting applications. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2014. V. 61. P. 1329–1334. DOI: 10.1109/ULTSYM.2014.0190.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Telichko A.V., Gordeev G.I., Burkov S.I., Blank V.D. Study of High overtone Bulk
Acoustic Resonators based on the Me1/AlN/Me2/(100) diamond piezoelectric layered structure. Acoust. Phys. 2015. V. 61. N 4. P. 422–433. DOI: 10.1134/S106377101503015X.
Aubert T., Elmazria O., Assouar B., Bouvot L., Oudic M. Surface acoustic wave devices based on AlN/sapphire structure for high temperature applications. Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. P. 203503. DOI: 10.1063/1.3430042.
