El nitruro de aluminio (AlN) es un nitruro de grupo III-V ampliamente utilizado con una estructura de wurtzita hexagonal en el campo de los dispositivos electrónicos acústicos. Tiene una gran banda prohibida directa (banda prohibida de 6,2 eV), es compatible con la tecnología CMOS y tiene una alta conductividad térmica. Además, las películas delgadas de nitruro de aluminio han logrado un rápido desarrollo debido a sus características como la alta velocidad de fase de la onda acústica superficial (SAW) y el bajo coeficiente de temperatura del material (TCD). Sin embargo, debido a las limitaciones en la aplicación de películas delgadas de AlN, su coeficiente de acoplamiento electromecánico lateral efectivo es relativamente pequeño (≈ 0,5%). Para mejorar su coeficiente de acoplamiento electromecánico conservando otras excelentes características, un método eficaz es doparlo para crear nuevos nitruros ternarios, lo que se consigue junto con otros nitruros III y metales de transición. El escandio (Sc) es un elemento del grupo IIIB y comúnmente se considera un metal de transición. Sc generalmente existe de manera estable como compuestos de ScN y tiene una estructura de piedra de sal cúbica. Debido al tamaño similar de los átomos de escandio y los átomos de Al, tiene la estabilidad de los metales de transición y actualmente es un tema candente en la investigación de elementos de subgrupo.
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1. Efecto deCarolina del SurDoperando conDdiferenteConconcentraciones en AlNEstructura cristalina
Las películas delgadas de ScxAl1-xN estudiadas se prepararon sobre sustrato de zafiro utilizando el método de pulverización catódica con magnetrón en tres concentraciones de objetivos de aleación ScAl: 13%, 20% y 40%. Los resultados de la prueba XRD se muestran en la Fig.1. A través de la observación, el pico de difracción (002) en cada concentración es obvio, y la intensidad y la mitad del ancho en la mitad del máximo indican que tiene una buena orientación preferida en el eje C. Cuando aumenta la concentración de átomos de Sc dopados, aumenta el volumen de la celda, aumenta el espaciado interplanar d del cristal y el ángulo θ en el pico característico de difracción (002) disminuye en consecuencia. Cuando la concentración de dopaje Sc aumenta del 13% al 20%, el aumento de 2θ en el pico de difracción (002) no es significativo porque la cantidad de dopaje no cambia mucho. Cuando la concentración aumenta del 20% al 40%, 2θ en el pico de difracción de (002) se reduce de 35,82° a 35,77°.
A medida que aumenta la concentración de dopaje de átomos de Sc, también cambia la tendencia del crecimiento de las células cristalinas. Debido a que el volumen de los átomos de Sc es mayor que el de los átomos de Al, cuando Sc entra en AlN, provocará un aumento en las direcciones a y c del eje del cristal. Sin embargo, el crecimiento de las células cristalinas en la dirección del eje a es más rápido y su c/a disminuye gradualmente. Debido a los diferentes modos de coordinación de w-AlN, ScN y h-ScN, cuando Sc ingresa a la estructura de w-AlN, compite con Al por N.
Fig. 1 Diagrama XRD para cristal de AlN con diferentes concentraciones de Sc
2. Impactos de la concentración de dopaje SC en el rendimiento de AlN
A medida que aumenta la concentración de dopaje Sc, esta competencia se vuelve más intensa, lo que lleva a una distorsión estructural, un ablandamiento de la estructura y una disminución de c/a. El ablandamiento del cristal también conduce a un aumento de su sensibilidad piezoeléctrica. La piezoelectricidad produjo una enorme respuesta piezoeléctrica 500% mayor que la del AlN cuando la concentración de Sc alcanzó el 40%.
Además, en otros campos de investigación relacionados con la fotónica integrada, este material presenta un excelente comportamiento tanto en propiedades ópticas como piroeléctricas.
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