通過等離子體增強原子層沉積（PEALD）技術，摻鈧氮化鋁（AlScN）壓電薄膜可被用于構建多種先進的壓電器件。
據麥姆斯咨詢報道，近期，美國密歇根大學（University of Michigan）的一項研究首次證實，通過等離子體增強原子層沉積（PEALD）技術可制備摻鈧氮化鋁（AlScN）壓電薄膜，該成果拓展了AlScN壓電薄膜在復雜3D器件方面的應用。相關研究成果以“Atomic layer deposition and characterization of scandium aluminum nitride”為題發表于Applied Physics Letters期刊上，該研究由美國陸軍研究辦公室（Army Research Office）資助。
傳統的濺射法與外延法僅能在平面上沉積AlScN壓電薄膜，這限制了其應用，因為大多數器件具有復雜的幾何結構。這項新技術PEALD可在更低的工藝溫度下，實現對AlScN壓電薄膜厚度、鈧含量及均勻性的精確控制。
該研究論文第一作者、電子與計算機工程專業博士生Md Mehedi Hasan Tanim表示：“PEALD方法使研究機構更易獲取高性能的AlScN壓電薄膜材料，并為將其集成到以前遙不可及的先進壓電器件中鋪平了道路。”
AlScN材料在受到機械應力時能夠產生電能（即壓電效應），相關研究已探索將其應用于可穿戴能量收集器，這類器件能將行走、肢體運動等產生的機械能轉化為可用的電能。
此外，AlScN作為超寬帶隙材料，能承受高壓而不被擊穿，可優化電動汽車（EV）電源轉換器等大功率器件。5G或6G智能手機的射頻濾波器、放大器等高頻器件，也可借助AlScN優異的壓電特性、聲學性能及高電流承載能力，實現更優的信號質量、更高的數據傳輸速率。
研究人員采用PEALD技術生長AlScN壓電薄膜
盡管全球學術界和產業界對AlScN壓電薄膜材料關注度頗高，但此前尚未明確能否通過PEALD技術實現其生長與合成。等離子體增強原子層沉積（PEALD）工藝流程如下：首先將待沉積的氣相前驅體引入含有目標襯底的反應腔中，部分材料會吸附于襯底表面，剩余部分由惰性氣體清掃排出；隨后，引入用于產生等離子體的氣體，等離子體與前一層吸附的物質發生反應，從而完成該層的沉積固化。
在制備AlScN薄膜的過程中，研究人員采用超級循環生長法（supercycle growth approach），在225~250攝氏度溫度范圍內，精確調控氮化鋁（AlN）與氮化鈧（ScN）層的沉積時間與比例。
密歇根大學Pallab K. Bhattacharya講席工程學教授、該研究論文的通訊作者Zetian Mi說：“原子層沉積AlScN就像在原子尺度上噴漆。每次沉積都會形成一層超薄的自限制涂層，重復該過程即可獲得精度高、均勻性好的薄膜。”
AlScN薄膜可生長于氮化鎵/藍寶石襯底上，適用于多種先進的壓電器件。電子顯微鏡檢測證實，該新技術PEALD可實現0~25%范圍內的鈧成分精確調控，同時保持原子級光滑的薄膜表面。
利用PEALD技術在氮化鎵/藍寶石襯底上沉積AlScN薄膜
此外，AlScN薄膜中各元素混合均勻、無團聚現象，并且薄膜與襯底的界面缺陷極少。這兩項特性均確保了AlScN薄膜可以集成到現有氮化鎵（GaN）器件中。
通過PEALD技術制備的AlScN薄膜，其壓電強度與傳統濺射法或外延法產物相當，并證實即便在不同幾何結構上沉積AlScN薄膜，其壓電性能仍可保持穩定。
