新開發(fā)的原子工程技術(shù)為高k電介質(zhì)中的鐵電行為提供了令人興奮的機(jī)遇，高k電介質(zhì)是與硅相比具有高介電常數(shù)的材料。這還可以為更先進(jìn)且具有更廣泛功能或特性的CMOS技術(shù)的開發(fā)提供有益信息。

工作頻率17.4 GHz鉿-氧化鋯-氧化鋁納機(jī)電諧振器的掃描電子顯微鏡圖像（左）和突出顯示超晶格細(xì)節(jié)的諧振器橫截面圖（右）。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員近年一直在探索原子工程鉿和氧化鋯基材料在電子系統(tǒng)各種組件制造中的潛力。近日，他們以“Nanoelectromechanical resonators for gigahertz frequency control based on hafnia–zirconia–alumina superlattices”為題在Nature Electronics發(fā)表了一篇論文，介紹了一種基于鉿-氧化鋯-氧化鋁（Hf0.5Zr0.5O2–Al2O3）超晶格，能夠產(chǎn)生諧振頻率的寬頻譜納機(jī)電諧振器。

Hf0.5Zr0.5O2–Al2O3超晶格換能器結(jié)構(gòu)與形貌

佛羅里達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的首席研究員Roozbeh Tabrizian表示：“我的研究小組是探索原子工程鐵電鉿-氧化鋯作為納米級集成換能器的先驅(qū)，這類換能器適用于新型CMOS納機(jī)電系統(tǒng)（CMOS-NEMS），在時(shí)鐘生成、物理傳感、光譜處理和計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域具有變革性影響。對于所有這些應(yīng)用，NEMS工作的有效性本質(zhì)上取決于鉿-氧化鋯薄膜中的壓電耦合效率。”

鉿-氧化鋯薄膜具有復(fù)雜的多晶結(jié)構(gòu)，由具有不同極性和非極性形態(tài)的疇組成，每種疇都對依賴電子、機(jī)械邊界條件的機(jī)電耦合有影響。由于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，人們對于支撐這些材料壓電特性的基本物理過程仍然知之甚少，使得增強(qiáng)這種特性具有挑戰(zhàn)。

Tabrizian說：“專門利用鉿-氧化鋯薄膜來制造超高頻諧振器，在如此高頻下的壓電耦合是一個(gè)關(guān)鍵衡量標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)定其性能，并確定其在制造時(shí)鐘和濾波器方面的適用性。為了回答這些問題，我們決定通過實(shí)驗(yàn)解鎖電輪詢（electrical polling）過程中鉿-氧化鋯薄膜中的壓電耦合演變。”

最近，Tabrizian和他的同事嘗試采用材料工程方法來增強(qiáng)鉿-氧化鋯-氧化鋁超晶格中的壓電耦合。最后，他們利用自己設(shè)計(jì)的材料制造了可以集成到各種CMOS電子器件中的納機(jī)電諧振器。

Tabrizian說：“我們開發(fā)的鉿-氧化鋯-氧化鋁納機(jī)電諧振器具有三個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先是其固有的CMOS兼容性，CMOS工藝前端組成材料的可用性，凸顯了它們與固態(tài)電路單片集成的潛力。這可以使時(shí)鐘器件、濾波器、傳感器和機(jī)械計(jì)算機(jī)的性能和能效提高幾個(gè)數(shù)量級，而尺寸和成本卻可以做得更低。”

第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是它們可以很容易地?cái)U(kuò)展到極高頻和超高頻，因?yàn)樗鼈兯诘你x-氧化鋯薄膜可以顯著縮小。值得注意的是，當(dāng)縮小到幾個(gè)納米時(shí)，研究人員設(shè)計(jì)的薄膜仍保留了其較大的壓電耦合。

因此，這些薄膜可以用于制造許多不同的CMOS集成器件，包括工作在數(shù)十GHz的諧振器、時(shí)鐘器件和濾波器。這些高頻CMOS集成系統(tǒng)對于開發(fā)下一代無線通信技術(shù)至關(guān)重要。

Tabrizian繼續(xù)解釋稱：“第三點(diǎn)，得益于其鐵電行為，鉿-氧化鋯中的壓電耦合可以通過臨時(shí)施加直流電壓來打開和關(guān)閉。這使其能夠構(gòu)建可開關(guān)的頻率控制器件，從而消除了對外部開關(guān)及其附帶功耗、損耗和占位面積的需求。當(dāng)目標(biāo)是將系統(tǒng)擴(kuò)展到需要在不同頻率的諧振器陣列內(nèi)靈活配置的多頻率、多頻帶工作時(shí)，這一點(diǎn)至關(guān)重要?！?/p>

Hf0.5Zr0.5O2–Al2O3超晶格T-BAW諧振器圖片及表征

Tabrizian團(tuán)隊(duì)最近的研究加強(qiáng)了人們對鉿-氧化鋯換能器中壓電耦合如何演變，以及從沉積薄膜中非線性二次狀態(tài)切換到構(gòu)建頻率控制系統(tǒng)所需線性狀態(tài)的現(xiàn)有理解。當(dāng)工程化的鉿-氧化鋯薄膜暴露于足夠的電場循環(huán)時(shí)，這種切換會(huì)自發(fā)發(fā)生。

Tabrizian說：“我們的研究還凸出了在鉿-氧化鋯換能器中構(gòu)建鉿-氧化鋯-氧化鋁超晶格來增強(qiáng)換能器壓電耦合的潛力，并且即使薄膜從襯底上釋放形成懸浮膜，也能保持這種耦合。有了這些發(fā)現(xiàn)，我們就可以揭示高性能鉿-氧化鋯-氧化鋁諧振器的制造方法?！?/p>

到目前為止，Tabrizian及其同事已經(jīng)成功利用這種薄膜開發(fā)了覆蓋0.2~20 GHz頻率的高性能諧振器。在接下來的研究中，他們計(jì)劃探索利用這種薄膜制造其他電子元件的潛力，同時(shí)集成并測試他們在各種微系統(tǒng)中制造的諧振器。

Tabrizian補(bǔ)充稱：“我們未來研究的一個(gè)重要方向是將所開發(fā)的鉿-氧化鋯-氧化鋁納機(jī)電諧振器集成到CMOS芯片上，以創(chuàng)建第一個(gè)超高頻單片CMOS-NEMS振蕩器。此外，我們將通過材料工程探索鉿-氧化鋯-氧化鋁諧振器的溫度穩(wěn)定方法。這對于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和頻率參考應(yīng)用的穩(wěn)定振蕩器至關(guān)重要。”

審核編輯：彭菁