基于铪-氧化锆-氧化铝超晶格的宽频谱纳机电谐振器
2023-08-21 21:18:20   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

新开发的原子工程技术为高k电介质中的铁电行为提供了令人兴奋的机遇，高k电介质是与硅相比具有高介电常数的材料。这还可以为更先进且具有更广泛功能或特性的CMOS技术的开发提供有益信息。

工作频率17.4 GHz铪-氧化锆-氧化铝纳机电谐振器的扫描电子显微镜图像（左）和突出显示超晶格细节的谐振器横截面图（右）。

据麦姆斯咨询报道，美国佛罗里达大学的研究人员近年一直在探索原子工程铪和氧化锆基材料在电子系统各种组件制造中的潜力。近日，他们以“Nanoelectromechanical resonators for gigahertz frequency control based on hafnia–zirconia–alumina superlattices”为题在Nature Electronics发表了一篇论文，介绍了一种基于铪-氧化锆-氧化铝（Hf_0.5Zr_0.5O₂–Al₂O₃）超晶格，能够产生谐振频率的宽频谱纳机电谐振器。

Hf_0.5Zr_0.5O₂–Al₂O₃超晶格换能器结构与形貌

佛罗里达大学电气与计算机工程系领导这项研究的首席研究员Roozbeh Tabrizian表示：“我的研究小组是探索原子工程铁电铪-氧化锆作为纳米级集成换能器的先驱，这类换能器适用于新型CMOS纳机电系统（CMOS-NEMS），在时钟生成、物理传感、光谱处理和计算等应用领域具有变革性影响。对于所有这些应用，NEMS工作的有效性本质上取决于铪-氧化锆薄膜中的压电耦合效率。”

铪-氧化锆薄膜具有复杂的多晶结构，由具有不同极性和非极性形态的畴组成，每种畴都对依赖电子、机械边界条件的机电耦合有影响。由于这种复杂的结构，人们对于支撑这些材料压电特性的基本物理过程仍然知之甚少，使得增强这种特性具有挑战。

Tabrizian说：“专门利用铪-氧化锆薄膜来制造超高频谐振器，在如此高频下的压电耦合是一个关键衡量标准，以设定其性能，并确定其在制造时钟和滤波器方面的适用性。为了回答这些问题，我们决定通过实验解锁电轮询（electrical polling）过程中铪-氧化锆薄膜中的压电耦合演变。”

最近，Tabrizian和他的同事尝试采用材料工程方法来增强铪-氧化锆-氧化铝超晶格中的压电耦合。最后，他们利用自己设计的材料制造了可以集成到各种CMOS电子器件中的纳机电谐振器。

Tabrizian说：“我们开发的铪-氧化锆-氧化铝纳机电谐振器具有三个独特的优点。首先是其固有的CMOS兼容性，CMOS工艺前端组成材料的可用性，凸显了它们与固态电路单片集成的潜力。这可以使时钟器件、滤波器、传感器和机械计算机的性能和能效提高几个数量级，而尺寸和成本却可以做得更低。”

第二个优点，是它们可以很容易地扩展到极高频和超高频，因为它们所基于的铪-氧化锆薄膜可以显著缩小。值得注意的是，当缩小到几个纳米时，研究人员设计的薄膜仍保留了其较大的压电耦合。

因此，这些薄膜可以用于制造许多不同的CMOS集成器件，包括工作在数十GHz的谐振器、时钟器件和滤波器。这些高频CMOS集成系统对于开发下一代无线通信技术至关重要。

Tabrizian继续解释称：“第三点，得益于其铁电行为，铪-氧化锆中的压电耦合可以通过临时施加直流电压来打开和关闭。这使其能够构建可开关的频率控制器件，从而消除了对外部开关及其附带功耗、损耗和占位面积的需求。当目标是将系统扩展到需要在不同频率的谐振器阵列内灵活配置的多频率、多频带工作时，这一点至关重要。”

Hf_0.5Zr_0.5O₂–Al₂O₃超晶格T-BAW谐振器图片及表征

Tabrizian团队最近的研究加强了人们对铪-氧化锆换能器中压电耦合如何演变，以及从沉积薄膜中非线性二次状态切换到构建频率控制系统所需线性状态的现有理解。当工程化的铪-氧化锆薄膜暴露于足够的电场循环时，这种切换会自发发生。

Tabrizian说：“我们的研究还凸出了在铪-氧化锆换能器中构建铪-氧化锆-氧化铝超晶格来增强换能器压电耦合的潜力，并且即使薄膜从衬底上释放形成悬浮膜，也能保持这种耦合。有了这些发现，我们就可以揭示高性能铪-氧化锆-氧化铝谐振器的制造方法。”

到目前为止，Tabrizian及其同事已经成功利用这种薄膜开发了覆盖0.2~20 GHz频率的高性能谐振器。在接下来的研究中，他们计划探索利用这种薄膜制造其他电子元件的潜力，同时集成并测试他们在各种微系统中制造的谐振器。

Tabrizian补充称：“我们未来研究的一个重要方向是将所开发的铪-氧化锆-氧化铝纳机电谐振器集成到CMOS芯片上，以创建第一个超高频单片CMOS-NEMS振荡器。此外，我们将通过材料工程探索铪-氧化锆-氧化铝谐振器的温度稳定方法。这对于实现时钟和频率参考应用的稳定振荡器至关重要。”