Точное отжиг повышает пьезоэлектрическую чувствительность полупроводников до рекордных уровней

Простой термический процесс увеличивает пьезоотклик ScAlN в 8 раз

Более сильные сотовые сигналы, более точные датчики и чистая энергия могут стать реальностью благодаря простому добавлению этапа отжига в промышленный процесс производства определенных полупроводниковых материалов. Об этом свидетельствует недавнее исследование под руководством инженеров Мичиганского университета.

Роль пьезоэлектрических материалов

Полупроводники с способностью преобразовывать механическое напряжение в электричество — пьезоэлектричество — являются важнейшими компонентами повседневных технологий. В смартфонах они фильтруют входящие сигналы антенны, снижая шум. В автомобилях они срабатывают подушки безопасности и контролируют давление в шинах.

"Наша команда драматически улучшила пьезоэлектрический отклик тонкой пленки скандия-алюминия-нитрида (ScAlN) — перспективного полупроводника для микроэлектроники и фотоники следующего поколения — с помощью довольно простого процесса отжига", — заявил Зетиан Ми, профессор колледжа инженерии и корреспондирующий автор исследования в Nature Communications.

Суть метода

Нагрев пленки до 700 °C в течение двух часов в специализированной камере повысил пьезоэлектрические свойства материала в 8 раз по сравнению с текущими коммерческими технологиями.

В таком масштабе улучшенные пьезоэлектрики способны трансформировать технологии в аэрокосмической сфере, здравоохранении и энергетике. Повышенная чувствительность к давлению и вибрации улучшит датчики мониторинга безопасности оборудования и структурного здоровья, усовершенствует ультразвуковые процедуры и позволит светофорам генерировать энергию от вибраций проезжающих грузовиков.

Механизм улучшения

Ученые также выяснили, как нагрев улучшает свойства: исправляя дефекты в тонких слоях крошечных кристаллов.

"Пьезоэлектрический отклик этого материала — это вклад структурных 'зёрен', ориентированных в определенном направлении. При росте пленок эти зёрна часто не идеально ориентированы, некоторые не вносят вклад в общий отклик", — объяснил Шубхам Мондал, аспирант и соавтор исследования.

"Процесс отжига дает дополнительную энергию пленке, позволяя зёрнам стать лучше ориентированными. Именно так частично увеличивается их пьезоэлектрический отклик", — добавил Мд Мехеди Хасан Таним, также соавтор работы.

Перспективы коммерциализации

Команда планирует протестировать отжиг на ScAlN, выросшем методами более высокого качества, например молекулярно-лучевой эпитаксией, чтобы еще больше повысить отклик.

По словам Ми, материал и процесс практически идентичны текущим производственным стандартам. Инсайты исследования позволяют индустрии драматически повысить возможности продуктов без значительных дополнительных затрат.