Nano-elektromechanische resonatoren op basis van hafnia-zirconia-alumina superroosters met gigahertz-spectrumdekking

Nieuw ontwikkelde technieken voor atomaire engineering hebben opwindende mogelijkheden geopend om ferro-elektrisch gedrag mogelijk te maken in diëlektrica met hoge k, materialen met een hoge diëlektrische constante (dwz kappa of k) in vergelijking met silicium. Dit zou op zijn beurt kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van meer geavanceerde op CMOS gebaseerde technologie met een breder scala aan functies of eigenschappen.

Onderzoekers van de Universiteit van Florida hebben onlangs het potentieel onderzocht van atomair gemanipuleerde materialen op basis van hafnia en zirkonia voor het maken van verschillende componenten voor elektronische systemen. In een recente Natuur Elektronica paper introduceerden ze nieuwe breedspectrum nano-elektromechanische resonatoren, elektronische componenten die een resonantiefrequentie kunnen genereren, gebaseerd op superroosters van hafnia-zirconia-alumina.

“Mijn onderzoeksgroep is hierin de voorloper geweest het verkennen van atomair geconstrueerde ferro-elektrische hafnia-zirconia als een geïntegreerde transducer op nanoschaal voor nieuwe CMOS-gebaseerde nano-elektromechanische systemen (CMOS-NEMS) paradigma’s, met een transformerende impact op het genereren van klokken, fysieke detectie, spectrale verwerking en computertoepassingen, “vertelde Roozbeh Tabrizian, de hoofdonderzoeker die de studie leidde, aan Phys .org “Voor al deze toepassingen wordt de effectiviteit van de NEMS-werking hoofdzakelijk bepaald door de efficiëntie van piëzo-elektrische koppeling in hafnia-zirconia-film.”

Hafnia-zirconia-films hebben een complexe polykristallijne structuur die bestaat uit domeinen met verschillende polaire en niet-polaire morfologieën, die elk bijdragen aan elektromechanische koppeling, afhankelijk van elektrische en mechanische randvoorwaarden. Vanwege deze ingewikkelde structuur blijven de fundamentele fysische processen die ten grondslag liggen aan piëzo-elektriciteit in deze materialen slecht begrepen, wat het verbeteren van deze eigenschap een uitdaging maakt.

“Wanneer we ons specifiek richten op het gebruik van hafnia-zirconia-films om ultra- en superhoogfrequente resonatoren te creëren, is de piëzo-elektrische koppeling van de film bij zulke hoge frequenties een belangrijke maatstaf die de prestaties bepaalt en hun toepasbaarheid identificeert voor het maken van klokken en filters,” zei Tabrizian. “Om deze vragen te beantwoorden, hebben we besloten om experimenten te ontwikkelen om de evolutie van piëzo-elektrische koppeling in hafnia-zirconia tijdens elektrische polling te ontsluiten.”

Als onderdeel van hun recente werk probeerden Tabrizian en zijn collega’s materiaaltechnische benaderingen te gebruiken om de piëzo-elektrische koppeling te verbeteren (dwz een effect dat een interactie tussen mechanische en elektrische fysica met zich meebrengt) in superroosters van hafnia-zirconia-alumina. Ten slotte gebruikten ze het materiaal dat ze hadden ontwikkeld om nano-elektromechanische resonatoren te maken die konden worden geïntegreerd in verschillende op CMOS gebaseerde elektronische apparaten.

“Onze hafnia-zirconia-alumina nano-elektromechanische resonatoren hebben drie unieke kenmerken,” zei Tabrizian. “De eerste is hun inherente CMOS-compatibiliteit en de beschikbaarheid van samenstellende materialen aan de voorkant van het CMOS-proces benadrukt een transformerend potentieel voor monolithische integratie ervan met solid-state circuits. Dit maakt het mogelijk om klokken, filters, sensoren en mechanische computers te creëren. die ordes van grootte hoger zijn in prestaties en energie-efficiëntie en kleiner in omvang en kosten.”

Een tweede voordeel van de resonatoren die door Tabrizian en zijn collega’s zijn gemaakt, is dat ze gemakkelijk kunnen worden opgeschaald naar super- en extreem hoge frequenties, omdat de hafnia-zirconia-films waarop ze zijn gebaseerd aanzienlijk kunnen worden verkleind. Met name wanneer ze werden verkleind tot enkele nanometers, behielden de films die door de onderzoekers waren ontwikkeld hun grote piëzo-elektrische koppeling.

Als gevolg hiervan zouden deze films kunnen worden gebruikt om veel verschillende CMOS-geïntegreerde apparaten te maken, waaronder resonators, klokken en filters die werken op tientallen gigahertz. Deze hoogfrequente CMOS-geïntegreerde systemen zullen cruciaal zijn voor de ontwikkeling van draadloze communicatietechnologieën van de volgende generatie.

“Ten derde en laatste, profiterend van ferro-elektrisch gedrag, kan de piëzo-elektrische koppeling in hafnia-zirconia worden in- en uitgeschakeld door tijdelijke toepassing van een gelijkspanning”, legt Tabrizian uit. “Hierdoor kunnen frequentiebesturingsapparaten worden gemaakt die intrinsiek schakelbaar zijn, waardoor externe schakelaars en hun stroomverbruik, verlies en voetafdruk overbodig worden. Dit is cruciaal bij de uitbreiding van het systeem naar multi-frequentie multi-bandwerking die vereist flexibele configuratie binnen een reeks resonators met verschillende frequenties.”

Het recente werk van dit team van onderzoekers verbetert het huidige begrip van hoe piëzo-elektrische koppeling evolueert in hafnia-zirconia-transducers, waarbij wordt overgeschakeld van het niet-lineaire kwadratische regime in films zoals gedeponeerd naar het lineaire regime dat nodig is om frequentiecontrolesystemen te creëren. Deze omschakeling vindt spontaan plaats wanneer de geconstrueerde hafnia-zirconia-films worden blootgesteld aan voldoende elektrische veldcycli.

“Onze studie benadrukt ook het potentieel van het gebruik van dunne alumina-tussenlagen in een hafnia-zirconia-transducer (dwz het creëren van het hafnia-zirconia-alumina-superrooster) om de piëzo-elektrische koppeling van de transducer te verbeteren en deze koppeling te behouden, zelfs als de films eenmaal zijn vrijgegeven van substraat naar vorm zwevende membranen,” zei Tabrizian. “Met deze kennis hebben we licht geworpen op de productiebenadering voor het creëren van hoogwaardige hafnia-zirconia-alumina-resonatoren die werken met een hoge kwaliteitsfactor en koppeling in ultra- en superhoge frequenties.”

Tot nu toe hebben Tabrizian en zijn collega’s hun films met succes gebruikt om krachtige resonatoren te ontwikkelen met een dekking tussen 0,2 en 20 GHz-frequenties. In hun volgende studies zijn ze echter van plan om het potentieel van de films te onderzoeken om andere elektronische componenten te creëren, terwijl ze ook de resonatoren die ze hebben gemaakt in verschillende microsystemen integreren en testen.

“Een belangrijke richting voor ons toekomstig onderzoek zal de integratie zijn van de ontwikkelde hafnia-zirconia-alumina nano-elektromechanische resonatoren op CMOS-chips om de eerste superhoogfrequente monolithische CMOS-NEMS-oscillator te creëren, ” voegde Tabrizian toe. “Bovendien zullen we ons richten op het onderzoeken van methoden voor temperatuurstabilisatie van hafnia-zirconia-alumina-resonatoren door middel van materiaaltechnologie. Dit is essentieel voor de realisatie van stabiele oscillatoren voor toepassingen voor het genereren van klok- en frequentiereferenties.”