Nanoelektromekaniske resonatorer baseret på hafnia–zirconia–aluminiumoxid supergitter med gigahertz-spektrumdækning

Nyudviklede atomteknologiske teknikker har åbnet spændende muligheder for at muliggøre ferroelektrisk adfærd i høj-k dielektriske materialer, materialer, der har en høj dielektrisk konstant (dvs. kappa eller k) sammenlignet med silicium. Dette kunne igen informere udviklingen af ​​mere avanceret CMOS-baseret teknologi med en bredere vifte af funktioner eller egenskaber.

Forskere ved University of Florida har for nylig udforsket potentialet af atomisk konstruerede hafnia- og zirconiumoxid-baserede materialer til at skabe forskellige komponenter til elektroniske systemer. I en nylig Nature Electronics papir, introducerede de nye bredspektrede nanoelektromekaniske resonatorer, elektroniske komponenter, der kan generere en resonansfrekvens, baseret på hafnia–zirconia–aluminiumoxid supergitter.

"Min forskergruppe har været pioner inden for at udforske atomisk konstrueret ferroelektrisk hafnia-zirconia som en integreret transducer i nanoskala til nye CMOS-baserede nanoelektromekaniske systemer (CMOS-NEMS) paradigmer med transformerende indvirkning i clockgenerering, fysisk sansning, spektralbehandling og databehandling ansøgninger," fortalte Roozbeh Tabrician, hovedefterforskeren, der ledede undersøgelsen, til Phys.org. "For alle disse applikationer er effektiviteten af ​​NEMS-drift i det væsentlige bestemt af effektiviteten af ​​piezoelektrisk kobling i hafnia-zirconia film."

Hafnia-zirconia film har en kompleks polykrystallinsk struktur, der består af domæner med forskellige polære og ikke-polære morfologier, som hver især bidrager til elektromekanisk kobling afhængigt af elektriske og mekaniske grænsebetingelser. På grund af denne indviklede struktur forbliver de grundlæggende fysiske processer, der understøtter piezoelektricitet i disse materialer, dårligt forståede, hvilket gør det udfordrende at forbedre denne egenskab.

"Når man specifikt målretter brugen af ​​hafnia-zirconia-film til at skabe ultra- og superhøjfrekvente resonatorer, er den piezoelektriske kobling af filmen ved så høje frekvenser et nøglemål, der sætter ydeevnen og identificerer deres anvendelighed til at skabe ure og filtre," sagde Tabrician. "For at besvare disse spørgsmål besluttede vi at udvikle eksperimenter for at låse op for udviklingen af ​​piezoelektrisk kobling i hafnia-zirconia under elektrisk polling."

Som en del af deres seneste arbejde forsøgte Tabrizian og hans kolleger at bruge materialetekniske tilgange til at forbedre piezoelektrisk kobling (dvs. en effekt, der indebærer en interaktion mellem mekanisk og elektrisk fysik) i hafnia-zirconia-aluminiumoxid supergitter. Til sidst brugte de det materiale, de konstruerede, til at skabe nanoelektromekaniske resonatorer, der kunne integreres i forskellige CMOS-baserede elektroniske enheder.

"Vores hafnia-zirconia-aluminiumoxid nanoelektromekaniske resonatorer har tre unikke funktioner," sagde Tabrizian. "Den første er deres iboende CMOS-kompatibilitet, og tilgængeligheden af ​​indgående materialer i front-end af CMOS-processen fremhæver et transformerende potentiale for monolitisk integration af dem med solid-state kredsløb. Dette muliggør oprettelse af ure, filtre, sensorer og mekaniske computere der er størrelsesordener højere i ydeevne og strømeffektivitet og lavere i størrelse og pris."

En anden fordel ved resonatorerne skabt af Tabrizian og hans kolleger er, at de nemt kan skaleres til super og ekstremt høje frekvenser, da hafnia-zirconia-filmene, de er baseret på, kan krympes betydeligt. Navnlig, når de blev nedskaleret til nogle få nanometer, beholdt filmene udviklet af forskerne deres store piezoelektriske kobling.

Som et resultat heraf kunne disse film bruges til at skabe mange forskellige CMOS-integrerede enheder, herunder resonatorer, ure og filtre, der fungerer ved snesevis af gigahertz. Disse højfrekvente CMOS-integrerede systemer vil være afgørende for at udvikle næste generations trådløse kommunikationsteknologier.

"For det tredje og sidste, med fordel af ferroelektrisk adfærd, kan den piezoelektriske kobling i hafnia-zirconia tændes og slukkes ved midlertidig påføring af en DC-spænding," forklarede Tabrizian. "Dette muliggør skabelsen af ​​frekvensstyringsenheder, der er iboende omskiftelige, hvilket fjerner behovet for eksterne switches og deres strømforbrug, tab og footprint overhead. Dette er afgørende, når man målretter udvidelse af systemet til multi-frekvens multi-band drift, der kræver agil konfiguration inden for en række resonatorer med forskellige frekvenser."

Det nylige arbejde fra dette hold af forskere forbedrer den nuværende forståelse af, hvordan piezoelektrisk kobling udvikler sig i hafnia-zirconia transducere, og skifter fra det ikke-lineære kvadratiske regime i film som deponeres til det lineære regime, der kræves for at skabe frekvenskontrolsystemer. Denne omskiftning sker spontant, når de konstruerede hafnia-zirconia-film udsættes for tilstrækkelig elektrisk feltcykling.

"Vores undersøgelse fremhæver også potentialet ved at bruge tynde aluminiumoxid-mellemlag i hafnia-zirconia-transduceren (dvs. at skabe hafnia-zirconia-aluminiumoxid-supergitteret) for at forbedre piezoelektrisk kobling af transduceren og opretholde denne kobling, selv når filmene er frigivet fra substratet til danner svævende membraner," sagde Tabrician. "Med denne viden kaster vi lys over fremstillingstilgangen til at skabe højtydende hafnia-zirconiumoxid-aluminiumoxidresonatorer, der fungerer med høj kvalitetsfaktor og kobling i ultra- og superhøje frekvenser."

Indtil videre har Tabrizian og hans kolleger med succes brugt deres film til at udvikle højtydende resonatorer med en dækning, der spænder mellem 0,2-20 GHz frekvenser. I deres næste undersøgelser planlægger de dog at udforske filmenes potentiale til at skabe andre elektroniske komponenter, samtidig med at de integrerer og tester de resonatorer, de har skabt i forskellige mikrosystemer.

"En nøgleretning for vores fremtidige forskning vil være integrationen af ​​de udviklede hafnia-zirconia-aluminiumoxid nanoelektromekaniske resonatorer på CMOS-chips for at skabe den første super-højfrekvente monolitiske CMOS-NEMS-oscillator," tilføjede Tabrizian. "Derudover vil vi målrette udforskningen af ​​metoder til temperaturstabilisering af hafnia-zirconiumoxid-aluminiumoxidresonatorer gennem materialeteknik. Dette er afgørende for realisering af stabile oscillatorer til ur- og frekvensreferencegenereringsapplikationer."

Flere oplysninger: Troy Tharpe et al., Nanoelektromekaniske resonatorer til gigahertz-frekvensstyring baseret på hafnia–zirconia–aluminiumoxid supergitter, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00999-9

Mayur Ghatge et al., En ultratynd integreret nanoelektromekanisk transducer baseret på hafniumzirconiumoxid, Nature Electronics (2019). DOI:10.1038/s41928-019-0305-3

Journaloplysninger: Naturelektronik

© 2023 Science X Network