Modello AlScN

Modello AlScN

La pellicola sottile di AlScN (nitruro di scandio di alluminio) su substrato di zaffiro o silicio può essere fornita da PAM-XIAMEN per l'applicazione di filtri SAW/FBAR, dispositivi optoelettronici, dispositivi di potenza e MEMS. AlScN, un ferroelettrico a base di semiconduttori III-V, è attualmente un materiale semiconduttore promettente, che può sostituire il materiale AlN nel campo RF 5G. Drogando un alto contenuto di scandio in nitruro di alluminio, le prestazioni piezoelettriche e il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico dei dispositivi a radiofrequenza possono essere notevolmente migliorati. Di seguito sono riportate le informazioni di base del modello AlScN da noi:

Modello AlScN

1. Specifiche del modello AlScN

Modello AlScN n. 1 basato su zaffiro

Parametri Pellicola AlScN su wafer di zaffiro piano C
sl. No. PAM-050A PAM-100A PAM-150A
Diametro 2” 4” 6”
Concentrazione Sc 40 ± 15 %
Spessore del film AlScN 800 ehm
FWHM-HRXRD 120 secondi d'arco
Ra [5x5um] 10 nm
TTV 10 ehm 20 ehm 20 ehm
Arco 20 ehm 40 ehm 60 ehm
Ordito 20 ehm 40 ehm 60 ehm
Zaffiro Substrato
Spessore del substrato 430 ± 15 um 650 ± 20 um 1300 ± 20 um
Orientamento asse c (0001) ±0.2°
superficie utile > 95%
crepe Nessuno

 

Modello AlScN n.2 basato su Si

Parametri Film AlScN su substrato di silicio piano C
sl. No. PAM-100S PAM-150S PAM-200S
Diametro 4” 6” 8"
Concentrazione Sc 40 ± 5 %
Spessore del film AlScN 800 ehm
FWHM-HRXRD
Ra [5x5um] 5 nm
TTV 10 ehm 5 ehm 4 ehm
Arco 25 ehm 40 ehm 40 ehm
Ordito 25 ehm 40 ehm 40 ehm
Silicon substrato
Spessore del substrato 525 ± 20 um 625 ± 15 um 725 ± 15 um
Orientamento asse c (0001) ±0.2°
Tipo di conducibilità N/P
resistività >5000 ohm
superficie utile > 95%
crepe Nessuno

 

2. Difficoltà e soluzioni nella preparazione di film di nitruro di scandio di alluminio fortemente drogati con Sc

A causa dell'incorporazione di un'elevata concentrazione di Sc, l'entropia di miscelazione della lega di nitruro ternario è positiva e il film è in uno stato metastabile, il che fa sì che il materiale stesso abbia una tendenza alla decomposizione di fase. Pertanto, le condizioni di preparazione per film AlScN altamente drogati e di alta qualità sono estremamente sensibili, il che è diventato un grande problema che limita la produzione di massa di film sottili di nitruro di scandio di alluminio ferroelettrico e le applicazioni industriali su larga scala a valle.

Because Sc, Al, and N do not have solid solubility in thermal equilibrium, it is difficult to prepare Sc-Al or Sc-Al-N alloy targets. In the previous studies, most of the schemes used dual-target sputtering systems to prepare AlScN films. This scheme cannot prepare a thin film with uniform Sc concentration and uniform performance. With the increasing maturity of AlSc alloy target preparation technology, Sc-Al alloy ingots can basically meet the needs of various target materials. Therefore, the magnetron sputtering technology of alloy targets is used to prepare AlScN thin films. In 2010, Japan’s Akiyama et al used Sc0.42Al0.58 alloy targets to successfully fabricate Sc0.38Al0.62N films with a piezoelectric coefficient of 19 pC/N, which were combined with the Sc0.38Al0.62N films prepared by the double co-sputtering method. The piezoelectric constants are basically the same, which confirms the feasibility of AlSc alloy targets for preparing high-voltage electrical ScxAl1-xN films. At the same time, it is proposed that AlSc alloy targets are effective targets for keeping the concentration of scandium in ScxAl1-xN films constant. In 2017, Chiba University in Japan used an AlSc alloy target to grow a Sc0.32Al0.68N film, and successfully fabricated a SAW device with an electromechanical coupling coefficient greater than 2.5% based on the film material. In 2020, the University of Pennsylvania in the United States successfully fabricated a 1.5GHz SAW device with an electromechanical coupling coefficient as high as 4.78% based on the Si-based Al0.68Sc0.32N film.

Aumentando la concentrazione di Sc nel film sottile di AlN drogato con scandio, la struttura del materiale passerà anche da una struttura di wurtzite pura (struttura di AlN) a una struttura esagonale a strati (fase metastabile di ScN). Questo cambiamento è stato confermato da esperimenti. Poiché è difficile determinare la concentrazione di drogaggio iniziale della transizione di fase nel funzionamento effettivo, è difficile determinare con precisione la solubilità dei metalli di transizione nei materiali in lega. Tuttavia, la letteratura esistente mostra che la solubilità dei metalli di transizione in AlN è bassa. Ricerche sulla stabilità di fase e sulle caratteristiche strutturali di film di AlN drogati con scandio mostrano che quando la concentrazione drogata con scandio x<56%, la struttura esagonale di wurtzite è dominante; quando la concentrazione drogata con scandio x>56%, il sistema cristallino cubico è la struttura principale.

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