O nitreto de alumínio (AlN) é um nitreto do grupo III-V amplamente utilizado com uma estrutura wurtzita hexagonal no campo de dispositivos eletrônicos acústicos. Possui um grande bandgap direto (bandgap de 6,2 eV), é compatível com a tecnologia CMOS e possui alta condutividade térmica. Além disso, os filmes finos de nitreto de alumínio alcançaram rápido desenvolvimento devido às suas características, como alta velocidade de fase da onda acústica superficial (SAW) e baixo coeficiente de temperatura do material (TCD). Porém, devido às limitações na aplicação de filmes finos de AlN, seu coeficiente de acoplamento eletromecânico lateral efetivo é relativamente pequeno (≈ 0,5%). A fim de melhorar o seu coeficiente de acoplamento eletromecânico, mantendo outras características excelentes, um método eficaz é dopá-lo para criar novos nitretos ternários, o que é conseguido em conjunto com outros nitretos III e metais de transição. O escândio (Sc) é um elemento do grupo IIIB e é comumente considerado um metal de transição. Sc geralmente existe de forma estável como compostos ScN e possui uma estrutura cúbica de pedra salina. Devido ao tamanho semelhante dos átomos de escândio e dos átomos de Al, possui a estabilidade dos metais de transição e é atualmente um tema quente na pesquisa de elementos de subgrupos.

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1. Efeito deScDtrabalhando comDdiferenteCconcentração em AlNEstrutura de cristal

Os filmes finos de ScxAl1-xN estudados foram preparados em substrato de safira usando o método de pulverização catódica com magnetron em três concentrações de alvos de liga ScAl: 13%, 20% e 40%. Os resultados do teste XRD são mostrados na Fig.1. Através da observação, o pico de difração (002) em cada concentração é óbvio, e a intensidade e meia largura na metade do máximo indicam que ele tem uma boa orientação preferencial do eixo C. Quando a concentração de átomos Sc dopados aumenta, o volume da célula aumenta, o espaçamento interplanar d do cristal aumenta e o ângulo θ no pico característico de difração (002) diminui de acordo. Quando a concentração de dopagem Sc aumenta de 13% para 20%, o aumento de 2θ no pico de difração (002) não é significativo porque a quantidade de dopagem não muda muito. Quando a concentração é aumentada de 20% para 40%, 2θ no pico de difração de (002) é reduzido de 35,82° para 35,77°.

À medida que a concentração de dopagem dos átomos de Sc aumenta, a tendência de crescimento das células cristalinas também muda. Como o volume dos átomos de Sc é maior que o dos átomos de Al, quando Sc entra em AlN, isso levará a um aumento nas direções a e c do eixo do cristal. No entanto, o crescimento das células cristalinas na direção do eixo a é mais rápido e seu c/a está diminuindo gradualmente. Devido aos diferentes modos de coordenação de w-AlN, ScN e h-ScN, quando Sc entra na estrutura w-AlN, ele compete com Al por N.

Fig. 1 Diagrama de XRD para cristal de AlN com diferentes concentrações de Sc

2. Impactos da concentração de doping Sc no desempenho do AlN

À medida que a concentração de dopagem Sc aumenta, esta competição torna-se mais intensa, levando à distorção estrutural, amolecimento da estrutura e diminuição de c/a. O amolecimento do cristal também leva a um aumento na sua sensibilidade piezoelétrica. A piezoeletricidade produziu uma enorme resposta piezoelétrica 500% vezes maior que a do AlN quando a concentração de Sc atingiu 40%.

Além disso, em outras áreas de pesquisa relacionadas à fotônica integrada, este material apresenta excelente desempenho tanto nas propriedades ópticas quanto piroelétricas.

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