Прецизионный отжиг повышает пьезоэлектрическую чувствительность полупроводников до рекордного уровня

Электроника и датчики INSIDER

Недавно задокументированный метод отжига увеличил пьезоэлектрический отклик полупроводникового материала до беспрецедентного уровня. Профессор Зетиан Ми (слева) является автором-корреспондентом, а докторант Шубхам Мондал (справа) является соавтором исследования. (Изображение:Марцин Щепански, Michigan Engineering.)

Более сильные сигналы сотового телефона, более точные датчики и более чистая энергия могут быть достигнуты путем добавления простого шага к промышленному процессу производства некоторых полупроводниковых материалов, как документально подтверждено в недавнем исследовании, проведенном инженерами из Мичиганского университета.

Полупроводниковые материалы, способные преобразовывать механическое напряжение в электричество (свойство, называемое пьезоэлектричеством), являются важными компонентами технологий, которые мы используем каждый день. В сотовых телефонах пьезоэлектрические материалы фильтруют входящий сигнал от антенны, чтобы уменьшить нежелательный шум. В автомобилях они раскрывают подушки безопасности и следят за давлением в шинах.

«Наша команда значительно улучшила пьезоэлектрический отклик пленки скандия-алюминиевого нитрида, нового полупроводника для микроэлектроники и фотоники нового поколения, используя довольно простой процесс отжига», — сказал Зетиан Ми, профессор технических наук Университета Паллаба К. Бхаттачарья и автор исследования в Nature Communications .

Нагревая пленку до 700 градусов по Цельсию в течение двух часов в специализированной камере, команда Ми улучшила пьезоэлектрические свойства материала в восемь раз по сравнению с тем, что используется в нынешних технологиях, представленных на рынке.

Усовершенствованные в таком масштабе, пьезоэлектрические материалы могут трансформировать технологии во всех секторах:от аэрокосмической отрасли до здравоохранения и энергетики. Повышенная чувствительность к давлению и вибрации может улучшить датчики, которые контролируют безопасность оборудования и состояние конструкций, усовершенствовать ультразвуковые процедуры и позволить светофорам включаться от грохота грузовиков на дороге.

Исследователи также выяснили, как процесс нагрева улучшает свойства материала, исправляя дефекты в тонких слоях крошечных кристаллов.

"Пьезоэлектрический отклик этого материала является вкладом структурных "зерен", ориентированных в определенном направлении. Когда пленки только выращиваются, эти зерна часто не идеально ориентированы, при этом некоторые зерна не вносят эффективного вклада в общий пьезоэлектрический отклик", - сказал Шубхам Мондал, докторант UM в области электротехники и вычислительной техники и соавтор исследования.

"Процесс отжига придает пленке дополнительную энергию, позволяя зернам лучше ориентироваться. Отчасти именно так увеличивается их пьезоэлектрический отклик", - сказал доктор Мехеди Хасан Таним, докторант Университета штата Массачусетс в области электротехники и вычислительной техники и соавтор исследования.

Команда планирует протестировать процесс отжига скандия-алюминиевого нитрида, выращенного с использованием методов, позволяющих получить материалы более высокого качества, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия, чтобы увидеть, смогут ли они еще больше улучшить пьезоэлектрический отклик.

В то же время, по словам Ми, материал и обработка, необходимые для улучшения пьезоэлектрических характеристик, практически идентичны текущим производственным стандартам. Результаты исследования позволяют промышленности значительно расширить возможности своих продуктов без серьезных дополнительных затрат.

Источник