High-Temperature Acoustic and Electric Characterization of Ferroelectric Al₀.₇Sc₀.₃N Films

铁电性 材料科学 表征(材料科学) 电容器 分析化学(期刊) 凝聚态物理 光电子学 电气工程 电介质 物理 纳米技术 电压 化学 工程类 有机化学
作者
Jialin Wang,Mingyo Park,Azadeh Ansari
出处
期刊:Journal of microelectromechanical systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:31 (2): 234-240 被引量:26
标识
DOI:10.1109/jmems.2022.3147492
摘要

This work presents the experimental measurements and analysis of high-temperature electric and acoustic characterization of ferroelectric film bulk acoustic resonators (FBARs) based on sputtered aluminum scandium nitride (Al 0.7 Sc 0.3 N) films. We recently reported a decreasing trend of the coercive field versus temperature and observed a three-fold reduction of the coercive field from 3MV/cm at room temperature to 1MV/cm at 600K. This work further studies the detailed electro-acoustic properties of Al 0.7 Sc 0.3 N thin films and FBARs at elevated temperatures. Such studies are critical given the high-power operation and self-heating issues related to 5G acoustic filters. Here, the polarization-dependent capacitance behavior of the metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitor is studied in detail at various temperatures up to 600K. At 600K, we measured the DC I-V curves and showed clear resistance switching at a reduced voltage of ~100 V compared to room temperature. Furthermore, the resonance frequency of FBARs is tested at varying temperatures up to 600K. We applied +/-100V DC bias and concluded that under the same DC bias conditions, a frequency tuning of ~3% is measured at 600K, which is about 3 times larger than at room temperature. The FBARs demonstrate two operating states: metal-polar and N-polar and the electromechanical coupling coefficient ( $k_{\mathbf {t}}^{\mathbf {2}}$ ) can be tuned with DC bias. This unique behavior paves a path forward for $k_{\mathbf {t}}^{\mathbf {2}}$ and frequency modulation in ferroelectric resonator elements. [2021-0214]
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