Untersuchung der elektro-akustischen und pyroelektrischen Eigenschaften von Aluminium-Scandium-Nitrid für mikroakustische Hochfrequenzfilter

Piezoelektrische mikroakustische Hochfrequenzfilter werden in der Empfangs- und Sendeelektronik von mobilen Endgeräten aufgrund ihrer geringen Baugröße sowie hohen Gütefaktoren bevorzugt verbaut. Derzeit etablierte Materialien wie Aluminiumnitrid oder Lithiumniobat sind nur begrenzt für den Einsatz in Hochfrequenzfiltern der nächsten Mobilfunkgeneration - 5G - geeignet. Dies bedingt den Bedarf an neuartigen piezoelektrischen Dünnschichten. Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN) weist eine deutlich gesteigerte elektromechanische Kopplung im Vergleich zu Aluminiumnitrid auf. Daher ist AlScN ein vielversprechender Kandidat für den Einsatz in mikroakustischen Hochfrequenzfiltern der nächsten Mobilfunkgeneration. Bisherige Forschungen beschäftigten sich hauptsächlich mit der Herstellung und grundlegende Charakterisierung von Schichten und Bauelementen. Für die Entwicklung von kommerziellen Bauelementen wird jedoch ein vollständiger Satz an elektro-akustischen Materialparametern benötigt. Ziel dieser Arbeit ist es, zum ersten Mal einen vollen Satz an elektro-akustischen und pyroelektrischen Materialparametern allumfassend experimentell zu bestimmen. Dadurch soll der Weg zu neuartigen Bauelementen auf Basis von AlScN eröffnet werden. In dieser Arbeit wurden AlScN-Dünnschichten mit einer Dicke von etwa 1 mm Dicke und Sc-Konzentrationen zwischen 0% und 42% untersucht. Die Schichten wurden mittels reaktivem Magnetronsputtern auf Siliziumsubstrate aufgebracht und wiesen eine hochgradig c-achsenorientierte Fasertextur auf. Mittels Röntgenbeugung wurden Phasenanalysen durchgeführt, die Gitterparameter gemessen und die Dichte bestimmt. Das bereits beobachtete untypische Verhalten der Gitterparameter als Funktion des Scandiumgehalts, konnte durch eine tiefgreifende Analyse auf das Absinken des mittleren Bindungswinkels bei gleichzeitigem Anstieg der mittleren Bindungslänge zurückgeführt werden. Trotz der nichtlinearen Änderung der Gitterparameter stieg die Dichte beinahe linear an. Die dielektrische Permittivität wurde aus der Kapazität von Dünnschichtplattenkondensatoren ermittelt. Für die Bestimmung der elastischen und piezoelektrischen Eigenschaften wurden zwei Ansätze verfolgt. Im ersten Ansatz wurden die Materialparameter aus Dispersionen von akustischen Oberflächenwellenresonatoren bestimmt. Dazu wurden zunächst Dünnschicht-Oberflächenwellenresonatoren mit Wellenlängen zwischen 2 mm und 24 mm hergestellt und jeweils die serielle und parallele Resonanzfrequenz bestimmt. Die eigentliche Extraktion der elastischen und piezoelektrischen Materialparameter ergab sich durch Abgleich von experimenteller und simulierter Dispersion anhand einer Parameteranpassung eines Finite Elemente Methode Modells. Der zweite Ansatz basierte auf akustischen Volumenwellenresonatoren. Dazu wurden Balken- und Scheiben-Resonatoren mit einer Länge von 200 mm, 250 mm und 300 mm bzw. mit Radien von 50 mm, 60 mm, und 70 mm hergestellt und die Resonanzfrequenzen extrahiert. Die seriellen und parallelen Resonanzfrequenzen der Resonatoren hängen nur von wenigen Materialparametern ab. Dadurch erlaubt es dieser Ansatz, die elastischen und piezoelektrischen Materialparameter mathematisch eindeutig und mit hoher Genauigkeit zu extrahieren. Wie bereits beim ersten Ansatz wurden die Materialparameter anhand einer Parameteranpassung eines Finite Elemente Methode Modells bestimmt. Der Vergleich der mit den beiden Ansätzen ermittelten Materialparametern ergab sowohl untereinander als auch mit Literaturwerten eine gute Übereinstimmung. Der effektive pyroelektrische Koeffizient als Funktion der Scandiumkonzentration und der Temperatur wurde mithilfe der dynamischen Sharp-Garn-Methode bei niedrigen Frequenzen von 10 mHz gemessen. Aus dem effektiven pyroelektrischen Koeffizienten konnten die intrinsischen pyroelektrischen Koeffizienten mithilfe der zuvor bestimmten elastischen und piezoelektrischen Materialparameter und den semi-experimentellen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten berechnet werden. Eine nichtlineare Abhängigkeit der dielektrischen, elastischen und piezoelektrischen Materialparameter wurde beobachtet und bestätigte theoretische Vorhersagen von Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie. Abgesehen von c13, sanken die Koeffizienten der elastischen Steifigkeit, wohingegen die polarisationsabhängigen Materialparameter, wie die dielektrische Permittivität, die piezoelektrischen und pyroelektrischen Parameter anstiegen, umso mehr Scandium in den Kristall eingebracht wurde. Es wurde betont, dass die relativen Änderungen von Materialparametern senkrecht zur polaren Achse signifikant schwächer ausgeprägt sind als solche parallel zur polaren Achse. Um die anisotrope Natur von AlScN zu erklären, wurde ein Federmodell entwickelt, mit dem gezeigt wurde, dass die Änderungen in der Bindungsgeometrie primär die Entwicklung der Materialparameter als Funktion der Scandiumkonzentration bestimmt. Außerdem konnte das Modell den Anstieg der piezoelektrischen und pyroelektrischen Koeffizienten in Übereinstimmung mit bereits bestehenden Dichtefunktionaltheorie-Modellen erklären.