Les techniques d'ingénierie atomique récemment développées ont ouvert des opportunités passionnantes pour permettre le comportement ferroélectrique dans les diélectriques à k élevé, des matériaux qui ont une constante diélectrique élevée (c'est-à-dire kappa ou k) par rapport au silicium. Cela pourrait à son tour éclairer le développement d'une technologie CMOS plus avancée avec une gamme plus large de fonctions ou de propriétés.
Des chercheurs de l’Université de Floride ont récemment exploré le potentiel des matériaux à base d’hafnia et de zircone de conception atomique pour créer différents composants pour les systèmes électroniques. Dans un récent article Nature Electronics Dans leur article, ils ont introduit de nouveaux résonateurs nanoélectromécaniques à large spectre, des composants électroniques capables de générer une fréquence de résonance, basés sur des super-réseaux hafnie-zircone-alumine.
"Mon groupe de recherche a été le pionnier dans l'exploration de l'hafnie-zircone ferroélectrique de conception atomique en tant que transducteur intégré à l'échelle nanométrique pour les nouveaux paradigmes de systèmes nanoélectromécaniques basés sur CMOS (CMOS-NEMS), avec un impact transformateur sur la génération d'horloge, la détection physique, le traitement spectral et l'informatique. applications", a déclaré Roozbeh Tabrizian, le chercheur principal qui a dirigé l'étude, à Phys.org. "Pour toutes ces applications, l'efficacité du fonctionnement du NEMS dépend essentiellement de l'efficacité du couplage piézoélectrique dans le film hafnia-zircone."
Les films d'hafnie-zircone ont une structure polycristalline complexe constituée de domaines de différentes morphologies polaires et non polaires, chacune contribuant au couplage électromécanique en fonction des conditions aux limites électriques et mécaniques. En raison de cette structure complexe, les processus physiques fondamentaux qui sous-tendent la piézoélectricité dans ces matériaux restent mal compris, ce qui rend difficile l'amélioration de cette propriété.
"En ciblant spécifiquement l'utilisation de films hafnia-zircone pour créer des résonateurs à ultra et très haute fréquence, le couplage piézoélectrique du film à de telles fréquences est une mesure clé qui définit les performances et identifie leur applicabilité pour la création d'horloges et filtres", a déclaré Tabrizian. "Pour répondre à ces questions, nous avons décidé de développer des expériences pour découvrir l'évolution du couplage piézoélectrique dans l'hafnie-zircone lors d'une interrogation électrique."
Dans le cadre de leurs travaux récents, Tabrizian et ses collègues ont tenté d'utiliser des approches d'ingénierie des matériaux pour améliorer le couplage piézoélectrique (c'est-à-dire un effet qui implique une interaction entre la physique mécanique et électrique) dans les super-réseaux hafnie-zircone-alumine. Enfin, ils ont utilisé le matériau qu'ils ont conçu pour créer des résonateurs nanoélectromécaniques qui pourraient être intégrés dans divers appareils électroniques basés sur CMOS.
"Nos résonateurs nanoélectromécaniques en hafnie-zircone-alumine présentent trois caractéristiques uniques", a déclaré Tabrizian. "Le premier est leur compatibilité CMOS inhérente et la disponibilité des matériaux constitutifs en amont du processus CMOS met en évidence un potentiel de transformation pour leur intégration monolithique avec des circuits à semi-conducteurs. Cela permet la création d'horloges, de filtres, de capteurs et d'ordinateurs mécaniques. qui sont des ordres de grandeur supérieurs en termes de performances et d'efficacité énergétique et inférieurs en taille et en coût."
Un deuxième avantage des résonateurs créés par Tabrizian et ses collègues est qu'ils peuvent être facilement adaptés à des fréquences super et extrêmement élevées, car les films hafnia-zircone sur lesquels ils sont basés peuvent être considérablement réduits. Notamment, une fois réduits à quelques nanomètres, les films conçus par les chercheurs ont conservé leur large couplage piézoélectrique.
En conséquence, ces films pourraient être utilisés pour créer de nombreux dispositifs différents intégrés au CMOS, notamment des résonateurs, des horloges et des filtres fonctionnant à des dizaines de gigahertz. Ces systèmes intégrés CMOS haute fréquence seront cruciaux pour développer les technologies de communication sans fil de nouvelle génération.
"Troisièmement et enfin, bénéficiant du comportement ferroélectrique, le couplage piézoélectrique en hafnie-zircone peut être activé et désactivé par l'application temporaire d'une tension continue", a expliqué Tabrizian. "Cela permet la création de dispositifs de contrôle de fréquence intrinsèquement commutables, ce qui évite le besoin de commutateurs externes ainsi que leur consommation d'énergie, leur perte et leur encombrement. Ceci est crucial lorsqu'il s'agit de cibler l'extension du système à un fonctionnement multifréquence multibande qui nécessite configuration agile au sein d'un ensemble de résonateurs avec différentes fréquences."
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs améliorent la compréhension actuelle de l'évolution du couplage piézoélectrique dans les transducteurs hafnie-zircone, passant du régime quadratique non linéaire dans les films tels que déposés au régime linéaire requis pour créer des systèmes de contrôle de fréquence. Cette commutation se produit spontanément lorsque les films d'hafnie-zircone sont exposés à un cycle de champ électrique suffisant.
"Notre étude met également en évidence le potentiel de l'utilisation de fines couches intermédiaires d'alumine dans le transducteur hafnie-zircone (c'est-à-dire, créant le super-réseau hafnie-zircone-alumine) pour améliorer le couplage piézoélectrique du transducteur et maintenir ce couplage même une fois que les films sont libérés du substrat vers forment des membranes en lévitation", a déclaré Tabrizian. "Grâce à ces connaissances, nous avons mis en lumière l'approche de fabrication pour la création de résonateurs hafnie-zircone-alumine hautes performances qui fonctionnent avec un facteur de qualité et un couplage élevés dans les ultra et super hautes fréquences."
Jusqu’à présent, Tabrizian et ses collègues ont utilisé avec succès leurs films pour développer des résonateurs hautes performances avec une couverture comprise entre 0,2 et 20 GHz. Dans leurs prochaines études, cependant, ils prévoient d'explorer le potentiel des films pour créer d'autres composants électroniques, tout en intégrant et en testant les résonateurs qu'ils ont créés dans divers microsystèmes.
"Une direction clé pour nos recherches futures sera l'intégration des résonateurs nanoélectromécaniques développés en hafnie-zircone-alumine sur des puces CMOS afin de créer le premier oscillateur CMOS-NEMS monolithique à très haute fréquence", a ajouté Tabrizian. "En outre, nous ciblerons l'exploration de méthodes de stabilisation de la température des résonateurs hafnie-zircone-alumine grâce à l'ingénierie des matériaux. Ceci est essentiel pour la réalisation d'oscillateurs stables pour les applications de génération de références d'horloge et de fréquence."
Plus d'informations : Troy Tharpe et al, Résonateurs nanoélectromécaniques pour le contrôle de fréquence gigahertz basés sur des super-réseaux hafnie-zircone-alumine, Nature Electronics (2023). DOI :10.1038/s41928-023-00999-9
Mayur Ghatge et al, Un transducteur nanoélectromécanique intégré ultra-mince basé sur de l'oxyde de hafnium et de zirconium, Nature Electronics (2019). DOI :10.1038/s41928-019-0305-3
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