Le nitrure d'aluminium (AlN) est un nitrure du groupe III-V largement utilisé avec une structure wurtzite hexagonale dans le domaine des appareils électroniques acoustiques. Il possède une large bande interdite directe (bande interdite de 6,2 eV), est compatible avec la technologie CMOS et présente une conductivité thermique élevée. De plus, les films minces de nitrure d'aluminium ont connu un développement rapide en raison de leurs caractéristiques telles qu'une vitesse de phase élevée des ondes acoustiques de surface (SAW) et un faible coefficient de température du matériau (TCD). Cependant, en raison des limites d'application des films minces d'AlN, leur coefficient de couplage électromécanique effectif latéral est relativement faible (≈ 0,5 %). Afin d'améliorer son coefficient de couplage électromécanique tout en conservant d'autres excellentes caractéristiques, une méthode efficace consiste à le doper pour créer de nouveaux nitrures ternaires, ce qui est obtenu avec d'autres nitrures III et métaux de transition. Le scandium (Sc) est un élément du groupe IIIB et est communément considéré comme un métal de transition. Sc existe généralement de manière stable sous forme de composés ScN et possède une structure cubique de pierre de sel. En raison de la taille similaire des atomes de scandium et des atomes d’Al, il possède la stabilité des métaux de transition et constitue actuellement un sujet brûlant dans la recherche d’éléments de sous-groupes.
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1. Effet deScDtravailler avecDdifférentCConcentrations sur AlNStructure en cristal
Les films minces ScxAl1-xN étudiés ont été préparés sur un substrat saphir en utilisant la méthode de pulvérisation magnétron à trois concentrations de cibles en alliage ScAl : 13 %, 20 % et 40 %. Les résultats du test XRD sont présentés sur la figure 1. Grâce à l'observation, le pic de diffraction (002) à chaque concentration est évident, et l'intensité et la demi-largeur à mi-hauteur indiquent qu'il a une bonne orientation préférée sur l'axe C. Lorsque la concentration d'atomes de Sc dopés augmente, le volume cellulaire augmente, l'espacement interplanaire d du cristal augmente et l'angle θ au pic caractéristique de diffraction (002) diminue en conséquence. Lorsque la concentration de dopage Sc augmente de 13 % à 20 %, l'augmentation de 2θ au pic de diffraction (002) n'est pas significative car la quantité de dopage ne change pas beaucoup. Lorsque la concentration est augmentée de 20% à 40%, 2θ au pic de diffraction de (002) est réduit de 35,82° à 35,77°.
À mesure que la concentration de dopage des atomes de Sc augmente, la tendance de la croissance des cellules cristallines change également. Étant donné que le volume des atomes de Sc est supérieur à celui des atomes d’Al, lorsque Sc entre dans AlN, cela entraînera une augmentation des directions a et c de l’axe cristallin. Cependant, la croissance des cellules cristallines dans la direction de l’axe a est plus rapide et leur c/a diminue progressivement. En raison des différents modes de coordination de w-AlN, ScN et h-ScN, lorsque Sc entre dans la structure w-AlN, il entre en compétition avec Al pour N.
Fig. 1 Diagramme DRX pour un cristal d'AlN avec différentes concentrations de Sc
2. Impacts de la concentration de dopage Sc sur les performances de l’AlN
À mesure que la concentration de dopage Sc augmente, cette compétition devient plus intense, entraînant une distorsion structurelle, un ramollissement de la structure et une diminution du rapport c/a. Le ramollissement du cristal entraîne également une augmentation de sa sensibilité piézoélectrique. La piézoélectricité a produit une énorme réponse piézoélectrique 500 % fois supérieure à celle de l'AlN lorsque la concentration en Sc a atteint 40 %.
De plus, dans d’autres domaines de recherche liés à la photonique intégrée, ce matériau présente d’excellentes performances tant en termes de propriétés optiques que pyroélectriques.
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