AlNの焦電効果：メカニズム、特性、応用

AlNの焦電効果：メカニズム、特性、応用 +

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窒化アルミニウム (AlN) は、ワイドバンドギャップ III 窒化物半導体として、優れた熱安定性、高い機械的強度、良好な電気特性を備えているだけでなく、顕著な焦電効果も示します。焦電効果とは、結晶内の温度変化によって自発分極が変化し、結晶表面に電荷が発生する現象を指します。 AlN は六方晶系ウルツ鉱構造に属し、c 軸方向に沿って自発分極を示すため、外部温度変化にさらされると測定可能な焦電電流が発生します。近年、AlNエピタキシャル成長技術の進歩により、特にSiCやSi基板上に高品質な厚膜が作製できる可能性があり、その熱電特性に関する研究がますます深まっています。

1。物理的なBの助けとしてP誘電性E影響する

焦電効果は、一次焦電効果と二次焦電効果に分けられます。前者は格子内の原子の非調和振動によって引き起こされる分極変化に由来し、後者は圧電効果による熱膨張によって引き起こされる歪みによって分極されます。自発分極と圧電分極の両方を示す AlN などの材料の場合、合計焦電係数は次のように表すことができます。

式中、γ^Pは主焦電係数、γ⁸は二次焦電係数です。理論的研究では、低温 (100K 未満など) では AlN の主な効果が支配的であり、その挙動は T に従うことが示されています。³法;高温では、大きな熱膨張により、二次的な影響が徐々に増大します。

2. 実験的M測定とP誘電性C効率的な

複数の研究者が、動的レーザー加熱法を使用して、AlN 薄膜の焦電応答を測定しました。例えば：

ガブリロフら。 p=3.0μC/(mの焦電係数を測定²K) SiC基板上に成長した厚さ6～12μmのAlNエピタキシャル層内で、0.1～500Hzの周波数範囲で安定した状態を維持した。

図 1 AlN/SiC 焦電信号、表面温度、およびレーザー出力の時間依存曲線

フフライギンら。 Si 基板上に成長した厚さ 0.3μm の AlN 膜、焦電係数 6 ～ 8μC/(m) を報告しました。²K) さまざまなバイアスや温度でも安定したパフォーマンスを発揮します。

スタンら。らは、反応性マグネトロンスパッタリングを使用して Si 基板上に AlN 薄膜を作製し、その焦電係数が基板の抵抗率と構造品質に大きく影響され、最大 12.4μC/(m) に達することを発見しました。²K）。

これらの結果は、AlN の焦電係数は一部の強誘電体材料 (PZT など) よりも低いものの、誘電率が低く、損失正接が低く、熱安定性が高いため、高温焦電センサーにおいて競争力があることを示しています。

3. 私の影響S基板とS構造上のP誘電性PAlNの特性

基板の選択は、AlN 薄膜の焦電特性に大きな影響を与えます。ガブリロフら。 SiC 基板と Si 基板上に成長させた AlN 層を比較したところ、後者は格子不整合と熱膨張係数 (α_シ=3.72×10⁻⁶K⁻¹、α_11AlN=5.4×10⁻⁶K⁻¹）。 AlN 層の厚さが増加するにつれて (110μm に達するなど)、Si 基板を除去した後、焦電係数は 6.2 から 8.6μC/(m²K)、ひずみの解放が固有の分極特性の回復に役立つことを示しています。

図2 AlN厚さと焦電係数の関係

さらに、スタンら。 Si 基板は、特定の波長 (800nm など) で光生成キャリアにより追加の信号を生成し、これが AlN 自体の焦電応答に干渉し、特にこの干渉がより顕著になる高抵抗 Si 基板では、と指摘しました。

図 3 異なる抵抗率を持つ Si 基板上の AlN 層で測定された熱電信号

4. 温度D依存とT理論的なMAlNのモデルP誘電性Pロープティー

ヤンら。 Debye モデルに基づいて 0 ～ 1000K の範囲で AlN の焦電係数を計算し、T が大きくなるにつれて急激に増加することを発見しました。³400K 未満の低温では、その後プラトーになる傾向があります。この広い温度範囲での安定性により、AlN は特に高温センサーに適しています。

図4 AlN焦電係数の温度変化

Shaldin と Matyjasik は、AlN 単結晶の焦電応答を 4.2 ～ 300 K の範囲で測定し、酸素不純物と構造欠陥が追加の分極を導入し、さらには低温で強誘電性のような秩序を誘発し、焦電挙動を大きく変化させることを発見しました。

5。応用PAlNの展望焦電性Pロープティー

AlN 材料の優れた焦電特性は、その高い熱伝導率、機械的強度、半導体プロセスとの適合性と組み合わされて、幅広い応用の可能性をもたらしています。

赤外線検出およびイメージングの分野では、AlN 検出器はキュリー温度の制限がなく、室温またはそれ以上の温度で安定して動作することができ、産業用監視、火災警報システム、その他の用途における非冷却赤外線検出器に適しています。シリコンベースの読み出し回路との統合機能により、民生用赤外線画像アプリケーションへの道が開かれました。

統合センサーおよびマイクロシステムの分野では、AlN プロセスと CMOS プロセス間の互換性により、AlN は多機能統合に理想的な材料となります。 AlN ベースのマイクロセンサーは、スマートホームでの非接触モニタリングに使用でき、MEMS での圧電効果と組み合わせることで、自己給電型のスマートセンシングノードを実現できます。

極限環境モニタリングの観点から見ると、AlN の高い耐放射線性と熱安定性は、高温や高放射線などの極限条件に耐えることができるため、深宇宙探査や原子力発電所のモニタリングなどの過酷な環境にとって理想的な選択肢となります。

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参考文献：

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スタン、GE、ボテア、M.、ボニ、ジョージア、ピンティリエ、I.、ピンティリエ、L. (2015)。反応性マグネトロンスパッタリングによってSi基板上に堆積されたAlN薄膜の電気的および焦電的特性。応用表面科学、353、1195-1202。
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