ЗАВИСИМОСТЬ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКА НИТРИДА АЛЮМИНИЯ-СКАНДИЯ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СКАНДИЯ
Аннотация
В работе изучены физические свойства твердого раствора пьезоэлектрика нитрида алюминия-скандия (ASN) в зависимости от концентрации скандия с помощью метода теории функционала электронной плотности и экспериментальными методами. Был продемонстрирован фазовый переход из фазы вюрцита в фазу каменной соли при концентрации Sc 43%. Были получены барьеры трансформации из фазы вюрцита в фазу каменной соли для различных концентраций Sc. Изучено поведение пьезоэлектрических констант e33, e31 и e15 с увеличением концентрации Sc и показано резкое увеличение пьезоэлектрической постоянной d33 ASN по сравнению с нитридом алюминия AlN, показана связь между усилением пьезоэлектрического отклика ASN и смягчением решетки, сопровождаемым уменьшением главных упругих постоянных С11, С33, С44 и С66, а также уменьшением соотношения c/a с ростом концентрации Sc. Экспериментально методом магнетронного напыления были получены плёнки ASN c преобладанием кристаллической ориентации (00·2). Структурные свойства плёнок были изучены методом рентгеновского дифракционного анализа. Сравнение экспериментально полученной зависимости отношения c/a от концентрации Sc с теоретическими значениями показало хорошее соответствие. Исследования физических свойств тонких пленок ASN выполняли с помощью СВЧ многообертонных композитных резонаторов на алмазных подложках с продольной объемной акустической волной (ОАВ-резонатор) в качестве операционной моды в диапазоне 0,5 – 20 ГГц. Были получены частотные зависимости добротности ОАВ-резонаторов с различными пленками ASN, а также рассчитаны частотные зависимости квадрата модуля форм-фактора |m|2. Были вычислены зависимости упругой постоянной С33 и пьезоэлектрической константы e33 для пленок ASN с различной концентрацией Sc. Расчетные и измеренные значения этих констант находятся в пределах ошибки эксперимента.
Литература
Piazza G., Felmetsger V., Muralt P., Olsson R.H. III, Ruby R. Piezoelectric aluminum nitride thin films for microelectromechanical systems. MRS Bull. 2012. V. 37. N 11. P. 1051–1061. DOI: 10.1557/mrs.2012.268.
Zhang Y., Zhu W., Zhou D., Yang Y., Yang C. Effects of sputtering atmosphere on the properties of C-plane ScAlN thin films prepared on sapphire substrate. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2015. V. 26. N 1. P. 472–478. DOI: 10.1007/s10854-014-2423-z.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Novoselov A.S., Bormashov V.S., Golovanov A.V., Burkov S.I., Blank V.D. Excitation of hypersonic acoustic waves in diamond-based piezoelectric layered structure on the microwave frequencies up to 20 GHz. Ultrasonics. 2017. V. 78. P. 162–165. DOI: 10.1016/j.ultras.2017.01.014.
Fu Y.Q., Luo J.K., Nguyen N.T., Walton A.J., Flewitt A.J., Zu X.T., Li Y., McHale G., Matthews A., Iborra E., Du H., Milne W.I. Advances in piezoelectric thin films for acoustic biosensors, acoustofluidics and Lab-on-Chip applications. Prog. Mater. Sci. 2017. V. 89. P. 31–91. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.04.006.
Loebl H.P., Klee M., Metzmacher C., Brand W., Milsom R., Lok P. Piezoelectric thin AlN Films for bulk acoustic wave (BAW) resonators. Mater. Chem. Phys. 2003. V. 79. N 2–3. P. 143–146. DOI: 10.1016/S0254-0584(02)00252-3.
Zuo C., Van der Spiegel J., Piazza G. 1.05-GHz CMOS oscillator based on lateral-field-excited piezoelectric AlN contour-mode MEMS resonators. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2010. 57. N 1. P. 82–87. DOI: 10.1109/TUFFC.1382.
Elfrink R., Kamel T. M., Goedbloed M., Matova S., Hohlfeld D., van Andel Y., van Schaijk R. Vibration energy harvesting with aluminum nitride-based piezoelectric devices. J. Micromechanics Microengineering. 2009. V. 19. N 9. P. 094005. DOI: 10.1088/0960-1317/19/9/094005.
Kang X., Shetty S., Garten L. Ihlefeld J. F., Trolier-McKinstry S., Maria J-P. Enhanced dielectric and pie-zoelectric responses in Zn1-xMgxO thin films near the phase separation boundary. Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. N 4. P. 042903. DOI: 10.1063/1.4973756.
Muralt P. Recent progress in materials issues for piezoelectric MEMS. J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. N 5. P. 1385–1396. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02421.x.
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. N 5. P. 593–596. DOI: 10.1002/adma.200802611.
Akiyama M., Tabaru T., Nishikubo K., Teshigahara A., Kano K. Preparation of scandium aluminum nitride thin films by using scandium aluminum alloy sputtering target and design of experiments. J. Ceram. Soc. Jpn. 2010. V. 118. N 1384. P. 1166–1169. DOI: 10.2109/jcersj2.118.1166.
Mayrhofer P. M., Euchner H., Bittner A., Schmid U. Circular test structure for the determination of piezoelec-tric constants of ScxAl1−xN thin films applying laser doppler vibrometry and FEM simulations. Sens. Actuators Phys. 2015. V. 222. P. 301–308. DOI: 10.1016/j.sna.2014.10.024.
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. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.137601.
Caro M.A., Zhang S., Ylilammi M., Riekkinen T., Moram M.A., Lopez-Acevedo O., Molarius J., Laurila T. Piezoelectric coefficients and spontaneous polarization of ScAlN. J. Phys. Condens. Matter. 2015. V. 27. N 24.
P. 245901. DOI: 10.1088/0953-8984/27/24/245901.
Wang W., Mayrhofer P.M., He X., Gillinger M., Ye Z., Wang X., Bittner A., Schmid U., Luo J.K. High perfor-mance AlScN thin film based surface acoustic wave devices with large electromechanical coupling coefficient. Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. N 13. 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. N 9. P. 092903. DOI: 10.1063/1.3629773.
Luparev N.V., Sorokin B.P., Aksenenkov V.V. Synthesis and research of aluminum-scandium nitride thin films as a part of piezoelectric layered structures based on synthetic diamond single crystalline substrates. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 77–84 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.6312.
Sorokin B.P., Novoselov A.S., Kvashnin G.M., Luparev N.V., Asafiev N.O. Shipilov A.B., Aksenenkov V.V. De-velopment 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.
Fichtner S., Wolff N., Lofink F., Kienle L., Wagner B. AlScN: A III-V semiconductor based ferroelectric. J. Appl. Phys. 2019. V. 125. N 11. P. 114103. DOI: 10.1063/1.5084945.
Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas. Phys Rev. 1964. V. 136. N 3B. P. B864–B871. DOI: 10.1103/PhysRev.136.B864.
Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. N 18. P. 3865–3868. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B. 1996. V. 54. N 16. P. 11169–11186. DOI: 10.1103/PhysRevB.54.11169.
Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of abinitio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comput. Mater. Sci. 1996. V. 6. N 1. P. 15–50. DOI: 10.1016/0927-0256(96)00008-0.
Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium. Phys. Rev. B. 1994. V. 49. N 20. P. 14251–14269. DOI: 10.1103/PhysRevB.49.14251.
Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B. 1976. V. 13. N 12. P. 5188–5192. DOI: 10.1103/PhysRevB.13.5188.
King-Smith R.D., Vanderbilt D. Theory of polarization of crystalline solids. Phys. Rev. B. 1993. V. 47. N 3. P. 1651–1654. DOI: 10.1103/PhysRevB.47.1651.
Dieulesaint E., Royer D. Elastic waves in solids: Applications to signal processing. New York: Wiley. 1980. 511 p.
Moreira M., Bjurström J., Katardjev I., Yantchev V. Aluminum scandium nitride thin-film bulk acoustic reso-nators for wide band applications. Vacuum. 2011.V. 86. N 1. P. 23–26. DOI: 10.1016/j.vacuum.2011.03.026.
Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyansky I.M. HBAR spectroscopy of metal (W, Ti, Mo, Al) thin films. In: Proc. IEEE Int. Ultrason. Symp. Atlanta. USA. 2001. P. 415–418.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Telichko A.V., Kuznetsov M.S., Gordeev G.I. Elastic properties of a synthetic sin-gle-crystal diamond. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2013. V. 56. N 7. P. 50–52 (in Russian).
Manna S., Talley K. R., Gorai P., Mangum J., Zakutayev A., Brennecka G.L., Stevanović V., Ciobanu C.V. Enhanced piezoelectric response of AlN via CrN alloying. Phys. Rev. Appl. 2018. V 9. N 3. P. 034026. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.034026.
Tan J., Li Y., Ji G. Elastic constants and bulk modulus of semiconductors: performance of plane-wave pseudopotential and local-density-approximation density functional theory. Comput. Mater. Sci. 2012. V. 58. P. 243–247. DOI: 10.1016/j.commatsci.2012.01.013.
Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Crystallogr. A. 1976. V. 32. N 5. P. 751–767. DOI: 10.1107/S0567739476001551.
Zhang S., Fu W.Y., Holec D., Humphreys C.J., Moram M.A. Elastic constants and critical thicknesses of ScGaN and ScAlN. J. Appl. Phys. 2013. V. 114. N 24. P. 243516. DOI: 10.1063/1.4848036.
Yanagitani T., Suzuki M. Electromechanical coupling and gigahertz elastic properties of ScAlN films near phase boundary. Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. N 12. P. 122907. DOI: 10.1063/1.4896262.
Matloub R., Hadad M., Mazzalai A., Chidambaram N., Moulard G., Sandu C.S., Metzger T., Muralt P. Piezoe-lectric Al1−xScxN thin films: a semiconductor compatible solution for mechanical energy harvesting and sensors. Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. N 15. P. 152903. DOI: 10.1063/1.4800231.
Teshigahara A., Hashimoto K., Akiyama M. Scandium aluminum nitride: highly piezoelectric thin film for RF SAW devices in multi GHz Range. In: Proc. 2012 IEEE Int. Ultrasonics Symp. Dresden. Germany. 2012. P. 1–5. DOI: 10.1109/ULTSYM.2012.0481.
Umeda K., Kawai H., Honda A., Akiyama M., Kato T., Fukura T. Piezoelectric properties of ScAlN thin films for piezo-MEMS devices. In: Proc. 2013 IEEE 26th Int. Conf. on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Taipei. Taiwan. 2013. P. 733–736. DOI: 10.1109/MEMSYS.2013.6474347.
