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稀土元素Er掺杂 AlN 的压电性能
2019-11-06 10:25:08   来源:   评论:0 点击:

氮化铝( AlN)是典型的 III-V 族直接带隙宽禁 带半导体材料,在常温、常压下存在稳定的六方纤锌 矿结构。AlN 具有许多优异的物理...
    氮化铝( AlN)是典型的 III-V 族直接带隙宽禁 带半导体材料,在常温、常压下存在稳定的六方纤锌 矿结构。AlN 具有许多优异的物理化学性能,如高 电阻率、高化学稳定性、高热导率及高热稳定性,可 用于电子器件、集成电路封装、介质隔离和绝缘材 料,尤其适于高温、高功率器件。如今对 AlN 的 研究热点主要集中在声表面波器件的应用,在该领 域, AlN 薄膜能很好地满足大的击穿场强、高声表 面波 传 播 速 度、高 机 电 耦 合 系 数,以 及 与 半 导 体 CMOS 工艺相兼容等要求,成为研制声表面波器件 的首选压电材料。随着无线通信系统和数据传输技 术的快速发展,声表面波器件向高频段发展需求增 加,而 AlN 薄膜具有在无机非铁电性压电材料中最 高的声表面波速度,因此,它可成为有效提高声表面 波器件中心频率的压电材料。
    AlN 薄膜的压电常数( d 33 =5. 5 pC/N)比传统压 电材料 PZT( 60~310 pC/N)小,因此,许多研究者致 力于通过掺杂来提高 AlN 的压电性能。目前,已有 研究表明,稀土元素 Sc 的掺杂能有效提高 AlN 薄膜 的压电响应能力。M. Akiyama 等率先使用 AlSc 双 靶材共溅射法制备了掺钪氮化铝薄膜( Sc x Al1- x N), 研究发现,当掺杂 Sc 的摩尔分数为 43%时,薄膜的 d 33 =27.6 pC/N,与纯 AlN 薄膜相比,其 d 33 提高了 400%。利用第一性原理方法从理论 上计算得出 Sc x Al1- x N 的 d 33 随掺杂含量的增加而增 大,当 Sc 的原子数比 x =50%时,与 纯 AlN 相 比, Sc x Al1- x N 的 d 33 约增长了 400%。
    Er 元素与 Sc 元素同属于稀土元素,具有相似 的电子结构。从对 Sc 掺杂 AlN 的改性机理研究中 发现, Er 元素比 Sc 元素具有更大的优势。Er 的原 子半径比 Sc 大, Er 掺杂 AlN 体系的晶体结构产生的畸变也较大; Er 的电负性比 Sc 小,掺杂后 Er—N 形成离子键的可能性比 Sc—N 高,故选择 Er 掺杂 AlN 来改善其压电性能是可行性的。
    通过第一性原理计算和实验验证,计算得到当 Er 原子数比 x =25%时, Er x Al1- x N 体系的 d 33 = 8 .67 pC/N,比纯 AlN 提高了 79. 5%。经实验测 试, x =5%时, Er x Al1- x N 薄膜 d 33 =6. 64 pC/N,与 理论计算 x =6. 25%时的 Er x Al1- x N 的 d 33 =5. 96 pC/N 接近, Er x Al1- x N 的 d 33 随掺杂 x 增加而增 大。计算结果表明,在未来 AlN 薄膜应用声表面波 器件领域,可通过稀土元素 Er 的掺杂来提高 AlN 薄膜材料的压电性能。理论研究 Er x Al1- x N 体系 的晶体结构可解释 Er x Al1- x N 掺杂改性的机理,主 要是由于掺杂元素 Er 的离子半径比 Al 的离子半 径大,使 Er x Al1- x N 的晶体结构畸变造成弹性常数 发生显著柔化,从而提高 AlN 的压电性能;此外, Al 与 Er 的电负性差异较大,使掺杂后的 Er x Al1- x N 在成键时,存在部分的 Er—N 离子键和 Al—N 共 价键的混合状态,进一步增强了 AlN 的压电性能。 联系客服:点击这里给我发消息

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