Der Mobilfunkstandard der 5. Generation (5G) ist in der heutigen Zeit sowohl für die Industrie wie auch die Verbraucher eine wichtige technologische Innovation. Um die Voraussetzungen der hohen Datenraten von 5G zu erfüllen, wird eine höhere elektronisch-mechanischer Kopplung der elektroakustischen Bauteile benötigt. Eines der erfolgreichsten piezoelektrischen Materialien in elektroakustischen Anwendungen ist Aluminiumnitrid (AlN). Bauteile, welche auf AlN basieren, besitzen jedoch eine relativ niedrige piezoelektrischen Koeffizienten d33 = 5,5 pC/N und die elektromechanische Kopplung ist auf 7% beschränkt. Durch den Einbau von Scandium (Sc) in die wurtzitische Phase des AlN lassen sich diese Parameter signifikant erhöhen und machen AlScN zu einem vielversprechenden Material in zukünftigen Anwendungen der mobilen Kommunikation. Diese Arbeit zielt auf die Entwicklung von wurtzitischem AlScN Dünnschichten ab, welche mit einer homogenen Mikrostruktur, hoher kristalliner Qualität und Sc-Konzentration (x > 0,4) einen großen piezoelektrischen Koeffizienten und elektromechanische Kopplung in elektroakustischen Bauteilen erreichen sollen. Hierfür wurden Al1-xScxN Dünnschichten auf Si(001) Substrate mittels reaktivem DC-gepulstem Magnetron-Co-Sputtern gewachsen, welches ein Einstellen der Sc-Konzentration erlaubt. Durch eine Anpassung des Prozessdrucks sowie der Abstand zwischen Target und Substrat, konnten AlN Dünnschichten mit einer senkrecht zur Substratnormalen ausgebildeten kolumnaren Mikrostruktur gezüchtet werden, die als hervorragende Referenz für das AlScN-Wachstum dienten. Der Austausch von Al durch Sc führt jedoch zu einer Degradation der Kristallqualität und im Weiteren zu fehlorientierten Körnern und lokalen Bereichen ohne piezoelektrische Eigenschaften. Optimierte Verhältnisse zwischen den Prozessgasen eliminierte die Fehlorientierung der Körner und ermöglichte das Wachstum einer homogenen piezoelektrischen Phase, welche bei einer Zusammensetzung von x = 0,13 einen maximalen piezoelektrischen Koeffizienten d33,clamp = 12,3 pC/N aufwies. Im weiteren Verlauf der Arbeit konnte die Sc-Konzentration ohne Phasenseparation weiter erhöht werden. Dies resultierte in einer state-of-the-art Al0.54Sc0.46N Dünnschicht auf Silizium, welche eine kolumnare Mikrostruktur, exzellente Kristallqualität (FWHM < 2°) und einen hohen piezoelektrischen Koeffizienten mit d33 = 44 pC/N aufwies. Zusätzlich wurden epitaktische Dünnschichten mit Al1 xScxN (0 ≤ x ≤ 0.46) auf Al2O3(0001) aufgewachsen. Die mechanischen und optischen Eigenschaften von AlScN/Al2O3 Proben wurden eingehend analysiert. Das Elastizitätsmodul E und der thermische Ausdehnungskoeffizient α wurden experimentell durch thermische zyklische Belastung bis 400 °C bestimmt, welche bei einer Zusammensetzung von Al0.59Sc0.41N in E = 270 GPa und α = 4,29 × 10-6 K-1 resultierte. Die Abhängigkeit der Bandlücke von der Sc-Konzentration wurde über spektroskopische Ellipsometrie bestimmt. Diese zeigte eine Einstellbarkeit der Bandlücke von 5,8 eV für AlN zu 4,4 eV in Al0.59Sc0.41N, welches AlScN auch für optoelektronische Anwendungen interessant macht. Zuletzt wurden AlScN-basierte elektronische Bauteile hergestellt, sogenannte surface acoustic wave (SAW) resonators, die eine effektive elektromechanische Kopplung von 2.2% bei etwa 2 GHz und einer Zusammensetzung von Al0.68Sc0.32N besaßen. Dies entspricht einer Erhöhung von mehr als dem 4-fachen im Vergleich zu den 0,5% in konventionellen AlN-Bauteilen. Der verbesserte piezoelektrische Koeffizient und die elektromechanische Kopplung unterstreichen die herausragende Qualität von AlScN und sein immenses Potential für den Einsatz in elektroakustischen Anwendungen.


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    Title :

    Development and characterization of piezoelectric AlScN-based alloys for electroacoustic applications


    Contributors:
    Lu, Yuan (author)

    Publication date :

    2019



    Type of media :

    Miscellaneous


    Type of material :

    Electronic Resource


    Language :

    English


    Classification :

    DDC:    629




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