Precisie-aanlaas verhoogt piezoelectrische gevoeligheid van semiconductor tot recordniveaus

Eenvoudig aanlaasproces verachtigt piezoelectrische respons achtvoudig

Sturdere mobiele signalen, nauwkeurigere sensoren en schonere energie kunnen worden bereikt door een eenvoudige stap toe te voegen aan het industriële fabricageproces van bepaalde semiconductor materialen. Dit blijkt uit een recente studie onder leiding van ingenieursonderzoekers van de Universiteit van Michigan.

Belang van piezoelectriciteit

Semiconductormaterialen die mechanische spanning kunnen omzetten in elektriciteit — een eigenschap genaamd piezoelectriciteit — zijn essentiële componenten van technologieën die we dagelijks gebruiken. In mobiele telefoons filteren piezoelectrische materialen het inkomende signaal van de antenne om ongewenste ruis te reduceren. In auto's sturen ze de airbag en monitoren ze de bandenspanning.

Doorbraak met scandium-aluminium-nitride

"Ons team heeft de piezoelectrische respons van een scandium-aluminium-nitride film, een opkomende semiconductor voor next-generation microelektronica en fotonica, dramatisch verbeterd met een vrij eenvoudig aanlaasproces," aldus Zetian Mi, de Pallab K. Bhattacharya Collegiate Professor of Engineering en corresponderende auteur van de studie in Nature Communications.

Door de film te verwarmen tot 700 graden Celsius gedurende twee uur in een gespecialiseerde kamer, verbeterde Mi's team de piezoelectrische eigenschap van het materiaal acht keer verder dan de huidige technologie op de markt.

Potentiële toepassingen

Op deze schaal verbeterd, hebben piezoelectrische materialen het potentieel om technologieën in verschillende sectoren te transformeren, van luchtvaart en ruimtevaart tot gezondheidszorg en energie. Verhoogde gevoeligheid voor druk en trillingen kan sensoren verbeteren die apparatuursveiligheid en structurele gezondheid monitoren, ultrasounprocedures verbeteren en verkeerslichten laten voeden door de trilling van vrachtwagens langs de weg.

Werkingsmechanisme ontrafeld

De onderzoekers ontdekten ook hoe het verwarmingsproces de eigenschappen van het materiaal verbetert, door defecten in de dunne lagen van kleine kristallen te corrigeren.

"De piezoelectrische respons van dit materiaal is een bijdrage van structurele 'korrels' georiënteerd in een specifieke richting. Wanneer de films net gegroeid zijn, zijn deze korrels vaak niet perfect georiënteerd, met sommige korrels die niet effectief bijdragen aan de algehele piezoelectrische respons," aldus Shubham Mondal, U-M doctoraal student in elektrotechniek en computer engineering en mede-eerste auteur van de studie.

"Het aanlaasproces geeft extra energie aan de film, waardoor de korrels beter georiënteerd raken. En dat is deels hoe hun piezoelectrische respons toeneemt," voegde Md Mehedi Hasan Tanim toe, ook U-M doctoraal student en mede-eerste auteur.

Toekomstplannen

Het team plannet het aanlaasproces te testen op scandium-aluminium-nitride gegroeid met methoden die hogere kwaliteit materialen opleveren, zoals moleculaire bundel epitaxie, om te zien of ze de piezoelectrische respons nog verder kunnen verbeteren.

Ondertussen, aldus Mi, zijn het materiaal en de verwerking die nodig zijn voor verbeterde piezoelectrische prestaties virtueel identiek aan de huidige productiestandaarden. De inzichten van de studie stellen de industrie in staat om de mogelijkheden van hun producten dramatisch te verbeteren zonder grote additionele kosten.