新開發的原子工程技術為高k電介質中的鐵電行為提供了令人興奮的機遇，高k電介質是與硅相比具有高介電常數的材料。這還可以為更先進且具有更廣泛功能或特性的CMOS技術的開發提供有益信息。

工作頻率17.4 GHz鉿-氧化鋯-氧化鋁納機電諧振器的掃描電子顯微鏡圖像（左）和突出顯示超晶格細節的諧振器橫截面圖（右）。

據麥姆斯咨詢報道，美國佛羅里達大學的研究人員近年一直在探索原子工程鉿和氧化鋯基材料在電子系統各種組件制造中的潛力。近日，他們以“Nanoelectromechanical resonators for gigahertz frequency control based on hafnia–zirconia–alumina superlattices”為題在Nature Electronics發表了一篇論文，介紹了一種基于鉿-氧化鋯-氧化鋁（Hf0.5Zr0.5O2–Al2O3）超晶格，能夠產生諧振頻率的寬頻譜納機電諧振器。

Hf0.5Zr0.5O2–Al2O3超晶格換能器結構與形貌

佛羅里達大學電氣與計算機工程系領導這項研究的首席研究員Roozbeh Tabrizian表示：“我的研究小組是探索原子工程鐵電鉿-氧化鋯作為納米級集成換能器的先驅，這類換能器適用于新型CMOS納機電系統（CMOS-NEMS），在時鐘生成、物理傳感、光譜處理和計算等應用領域具有變革性影響。對于所有這些應用，NEMS工作的有效性本質上取決于鉿-氧化鋯薄膜中的壓電耦合效率。”

鉿-氧化鋯薄膜具有復雜的多晶結構，由具有不同極性和非極性形態的疇組成，每種疇都對依賴電子、機械邊界條件的機電耦合有影響。由于這種復雜的結構，人們對于支撐這些材料壓電特性的基本物理過程仍然知之甚少，使得增強這種特性具有挑戰。

Tabrizian說：“專門利用鉿-氧化鋯薄膜來制造超高頻諧振器，在如此高頻下的壓電耦合是一個關鍵衡量標準，以設定其性能，并確定其在制造時鐘和濾波器方面的適用性。為了回答這些問題，我們決定通過實驗解鎖電輪詢（electrical polling）過程中鉿-氧化鋯薄膜中的壓電耦合演變。”

最近，Tabrizian和他的同事嘗試采用材料工程方法來增強鉿-氧化鋯-氧化鋁超晶格中的壓電耦合。最后，他們利用自己設計的材料制造了可以集成到各種CMOS電子器件中的納機電諧振器。

Tabrizian說：“我們開發的鉿-氧化鋯-氧化鋁納機電諧振器具有三個獨特的優點。首先是其固有的CMOS兼容性，CMOS工藝前端組成材料的可用性，凸顯了它們與固態電路單片集成的潛力。這可以使時鐘器件、濾波器、傳感器和機械計算機的性能和能效提高幾個數量級，而尺寸和成本卻可以做得更低。”

第二個優點，是它們可以很容易地擴展到極高頻和超高頻，因為它們所基于的鉿-氧化鋯薄膜可以顯著縮小。值得注意的是，當縮小到幾個納米時，研究人員設計的薄膜仍保留了其較大的壓電耦合。

因此，這些薄膜可以用于制造許多不同的CMOS集成器件，包括工作在數十GHz的諧振器、時鐘器件和濾波器。這些高頻CMOS集成系統對于開發下一代無線通信技術至關重要。

Tabrizian繼續解釋稱：“第三點，得益于其鐵電行為，鉿-氧化鋯中的壓電耦合可以通過臨時施加直流電壓來打開和關閉。這使其能夠構建可開關的頻率控制器件，從而消除了對外部開關及其附帶功耗、損耗和占位面積的需求。當目標是將系統擴展到需要在不同頻率的諧振器陣列內靈活配置的多頻率、多頻帶工作時，這一點至關重要。”

Hf0.5Zr0.5O2–Al2O3超晶格T-BAW諧振器圖片及表征

Tabrizian團隊最近的研究加強了人們對鉿-氧化鋯換能器中壓電耦合如何演變，以及從沉積薄膜中非線性二次狀態切換到構建頻率控制系統所需線性狀態的現有理解。當工程化的鉿-氧化鋯薄膜暴露于足夠的電場循環時，這種切換會自發發生。

Tabrizian說：“我們的研究還凸出了在鉿-氧化鋯換能器中構建鉿-氧化鋯-氧化鋁超晶格來增強換能器壓電耦合的潛力，并且即使薄膜從襯底上釋放形成懸浮膜，也能保持這種耦合。有了這些發現，我們就可以揭示高性能鉿-氧化鋯-氧化鋁諧振器的制造方法。”

到目前為止，Tabrizian及其同事已經成功利用這種薄膜開發了覆蓋0.2~20 GHz頻率的高性能諧振器。在接下來的研究中，他們計劃探索利用這種薄膜制造其他電子元件的潛力，同時集成并測試他們在各種微系統中制造的諧振器。

Tabrizian補充稱：“我們未來研究的一個重要方向是將所開發的鉿-氧化鋯-氧化鋁納機電諧振器集成到CMOS芯片上，以創建第一個超高頻單片CMOS-NEMS振蕩器。此外，我們將通過材料工程探索鉿-氧化鋯-氧化鋁諧振器的溫度穩定方法。這對于實現時鐘和頻率參考應用的穩定振蕩器至關重要。”

審核編輯：彭菁