利用锆铪氧化物薄膜打造超薄NEMS换能器

近期开发的可以在超高（3~30 GHz）和极高（30~300 GHz）频率范围工作的纳米机电（NEMS）谐振器对于开发更先进的半导体电子产品（如宽带频谱处理器和高分辨率谐振传感器）具有极其重要的价值。集成的NEMS换能器可以实现超小型传感器和执行器的开发，以超高分辨率实现与外界的原子级机械相互作用。不过目前为止，在纳米级实现集成的机电转换已被证明非常具有挑战性。

据麦姆斯咨询报道，近期发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）上的一项最新研究显示，佛罗里达大学（University of Florida）的研究人员能够利用10nm（纳米）厚的铁电锆铪氧化物（Hf0.5Zr0.5O2）薄膜制造超薄NEMS换能器。该研究团队包括两名高级研究人员Roozbeh Tabrizian和Nishida Toshikazu，以及学生Mayur Ghatge和Glenn Walters。

领导这项研究的Tabrizian表示：“我们的研究践行了半导体传感器和执行器领域的长期追求，即真正集成的NEMS换能器。NEMS换能器有助于利用半导体纳米结构中的高频和高Q值机械谐振动力学特性，在厘米波和毫米波范围实现单片集成的频率参考和宽带频谱处理器。”

过去十年来，研究人员开始利用压电换能器薄膜实现物理传感和执行应用的MEMS器件。与光学和磁性等其它换能方案相比，这些薄膜换能器具有显著的集成优势。例如，它们使芯片级机械元件成为可能，这对于MEMS器件的许多实际应用至关重要，包括频率参考生成、频谱处理和高分辨率传感等。

Tabrizian解释称：“不过，传统换能器薄膜的一个主要问题是其基本的缩放限制。例如，如今智能手机所使用的射频（RF）滤波器中广泛使用的氮化铝（AlN）薄膜的厚度需要在几百纳米的范围，才能获得有效机电转换所需要的晶体结构。进一步减小膜厚会大大降低机电转换效率，使换能器无法检测或感应纳米级的微小运动。”

由Tabrizian及其同事开发的基于锆铪氧化物的薄膜比传统的换能器薄膜具有明显优势。例如，可以在原子水平上对它们进行工程设计，以在几个纳米的厚度实现有效的机电转换。

由锆铪氧化物制成的超薄NEMS换能器（透射电子显微镜剖视图），突出显示了夹在10nm厚氮化钛（TiN）电极之间的10nm厚铁电Hf0.5Zr0.5O2薄膜。

这种重要特征源于原子层氧化铪（hafnia）的独特特性，用于制造具有铁电特性的亚稳定晶相薄膜。当薄膜缩放到几个纳米时，可以利用原子工程技术（例如掺杂和堆叠）来稳定亚稳定晶相。

Tabrizian说：“原子工程设计的基于氧化铪的薄膜最近兴起成为一种新型的铁电材料，具有实现超低功耗和超小型化非易失性存储单元的巨大潜力。在这项研究中，我们首次采用超薄铁电锆铪氧化物观察到的电致伸缩效应，实现高频和高Q值NEMS谐振器。”

在他们的研究中，研究人员将他们的超薄NEMS换能器集成到了氮化硅和氮化铝薄膜中，从而实现了频率范围在340 kHz~13 GHz之间的谐振器，并获得了创纪录的3.97 x 10¹²高频Q值。

由Tabrizian及其同事制造的这种超薄集成NEMS换能器，为精确传感、频率参考生成、光谱学和无线通信应用的新器件开发创造了新可能。可以从毫米波集成NEMS谐振器获益的特定应用包括：用于新兴无线技术（即5G及更高版本）的超宽带芯片级滤波器，用于室温量子传感的芯片级传感器，以及光谱学应用的芯片级极高频源等。