縱觀百年鐵電史，鈣鈦礦型鐵電材料與CMOS后道工藝的兼容性以及臨界尺寸效應等問題一直頗為棘手。而鉿基鐵電材料的結晶需要額外的后退火處理，其多晶特性導致薄膜微縮后性能不均勻，進而對高密度集成構成了挑戰。因此，探索新型替代鐵電材料顯得尤為迫切。纖鋅礦氮化物鐵電材料——摻鈧氮化鋁（AlScN）的發現為這一領域帶來了新的曙光。
AlScN是MEMS器件中應用的一種新型壓電執行器替代材料，應用包括MEMS揚聲器、壓電MEMS超聲換能器（PMUT）、MEMS微鏡以及MEMS風扇等。與靜電梳齒等其它驅動方法相比，壓電驅動具有諸多優勢，例如更大的驅動力。AlScN還能提供更好的線性特性、CMOS后道工藝兼容性、長期穩定性以及高溫穩定性。所有這些特性再加上其在雙極特性上的潛力，使得AlScN相比已廣泛使用且壓電系數更優的鋯鈦酸鉛（PZT），依然是強有力的競爭者。
纖鋅礦氮化物鐵電材料最后剩余的缺點在AlScN中可以得到克服。由于AlScN的鐵電特性，可以構建簡單的多層薄膜結構設計，與單層材料相比，在保持其它優勢的同時，極大地改善了“力-電壓”特性。
據麥姆斯咨詢報道，德國弗勞恩霍夫集成系統與組件技術研究所（Fraunhofer ISIT）Axel Müller-Groeling教授團隊正在研發及集成基于AlScN的多層堆棧結構，用于各種MEMS執行器，例如MEMS揚聲器或MEMS微鏡。為此，研究人員開發了一種適合的AlScN沉積工藝，以在大尺寸8英寸晶圓上高質量、高均勻地生長所需要的薄膜層。此外，該團隊還研究了將這種AlScN多層薄膜堆棧結構集成到現有設計中的方法，以提高壓電器件性能，并替代含鉛的PZT。
Axel Müller-Groeling教授
鐵電多層薄膜結構概念
下圖展示了競爭性壓電材料PZT、AlN和AlScN（單層）以及AlScN（雙層）的性能。初看之下，PZT在最低場強下實現了最高應變，但與AlN和AlScN相比，PZT存在多項缺點。例如，高沉積溫度和鉛含量給薄膜集成帶來了困難。此外，PZT只能通過恒定偏置和單極信號驅動，這限制了其可能的應用。
具有相似厚度的PZT、AlN、AlScN（單層）和AlScN（雙層）薄膜的應變響應
而AlN沒有任何這些問題，它可以雙極驅動，但其壓電系數大約低一個數量級。通過在AlN中摻雜Sc，形成AlScN，可顯著提高了壓電薄膜性能，同時保持了線性特性、CMOS后道工藝兼容性、長期高溫穩定性以及雙極驅動的潛力。為了進一步縮小AlScN與PZT的差距，并在某些應用中成功替代，可以制造多層薄膜堆棧結構，將至少兩層AlScN薄膜的應變耦合在一起。
鐵電雙層薄膜概念，永久的鐵電極化反轉簡化多層結構之間的耦合
整個AlScN薄膜堆棧沉積在硅晶圓上并通過結構化加工成最終器件。在這種沉積狀態下，驅動時不會發生任何變化，因為雙層AlScN薄膜的運動會相互抵消。下層薄膜拉伸，上層薄膜收縮。這是由于上層AlScN薄膜中極化和電場方向的反平行排列造成的。
上層薄膜極化反轉后，兩層薄膜的極化都與施加的電場對齊，因此兩層同時拉伸，耦合運動并使堆棧性能超越材料極限。
這種可用于MEMS執行器的新型AlScN雙層薄膜的鐵電特性，意味著在強電場下，薄膜的極化可以在兩個穩定狀態之間切換。
基于AlScN雙層薄膜堆棧的壓電執行器
下圖展示了經過處理的AlScN雙層薄膜堆棧的SEM橫截面圖像，可以看到硅襯底上交替排布的Pt電極和AlScN薄膜。
AlScN雙層薄膜堆棧結構的SEM橫截面圖像，在硅襯底上可見交替排布的Pt電極和AlScN薄膜。
經過處理、極化反轉和初步表征后，晶圓被分割成小型器件芯片。這些芯片隨后被貼裝到PCB測試板上，并通過細金線（外覆硅樹脂保護）實現電氣連接。至此，完成的壓電器件可以進一步研究，例如測試其力學性能、聲學性能、撓曲功率等。
基于AlScN雙層薄膜堆棧的壓電執行器位于PCB測試板上
