Aluminium-Scandium-Nitrid für breitbandige Oberflächenwellenfilter

Aluminium-Scandium-Nitrid (Al1-xScxN) in der Wurtzit-Struktur ist durch die erhöhten piezoelektrischen Koeffizienten im Vergleich zu anderen Nitridverbindungen ein vielversprechendes Dünnschichtmaterial für mikroakustische Oszillatoren und Filter. Diese Arbeit untersucht die elastischen und piezoelektrischen Tensoreigenschaften von Al1-xScxN-Schichten, die sich ausbildende Anisotropie als Funktion des Sc-Gehalts x im Kristallsystem und die Eignung von Al1-xScxN als aktive Schicht in Volumenwellenresonatoren (Bulk Acoustic Wave, BAW) und Oberflächenwellenresonatoren (Surface Acoustic Wave, SAW). Anhand linearer Materialtensoren aus neusten Ergebnissen der Dichtefunktionaltheorie werden intrinsische elektromechanische Kopplungskoeffizienten verschiedener akustischer Wellenmoden und deren Phasengeschwindigkeiten berechnet. Mittels numerischer Modellierungen von BAW-Strukturen wird die Eignung verschiedener Elektrodenmaterialien für mikroakustische Bauelemente geprüft. Des Weiteren werden Oberflächenwellen in Al1-xScxNStrukturen untersucht. Die elastischen Eigenschaften von texturierten AlN und Al0.7Sc0.3N-Schichten auf Si-Substraten wurden experimentell mit Laser- Ultraschallmessungen ermittelt. Im Gegensatz zu Si ermöglichen Substrate aus Saphir (Al2O3) epitaktisches Wachstum von Al1-xScxN-Schichten verschiedener Orientierungen. Im Rahmen dieser Arbeit entwickelte SAW-Resonatoren aus verschiedenen Elektrodenmaterialien (Al, Pt) auf Al0.7Sc0.3N(0001) wurden als Teststrukturen durch Streuparametermessungen charakterisiert. Massenbeladung von Elektroden und die Wellenausbreitungsrichtung beeinflussen die Wellenführung der Moden. Höhere Oberflächenwellen weisen, im Vergleich zu fundamentalen Moden (Rayleigh-Wellen), erhöhte Phasengeschwindigkeiten v auf und eignen sich somit für höhere Einsatzfrequenzen (bis zu 3 GHz bei einer Wellenlänge von 2 μm). Die Ergebnisse von Messungen an Al0.7Sc0.3N(0001)/Al2O3(0001)-Strukturen zeigen eine deutlich verbesserte Wellenführung höherer Oberflächenwellen (hier Sezawa-Moden) für die Ausbreitungsrichtung <1100> in Bezug zum Substrat. Die Wellenführung kann mit hoher Apertur und Fingeranzahl der SAW-Resonatoren noch weiter verbessert werden. Dies führt zu hohen effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k2eff und hohen Güten Q von Rayleigh-Moden (k2eff = 3.77%, Q = 660, v = 3540ms-1) und Sezawa-Moden (k2eff = 1.55%, Q = 875, v = 5936ms-1) in Al0.7Sc0.3N(0001)/Al2O3(0001)-Strukturen. Untersuchungen von SAW-Resonatoren basierend auf Al0.3Sc0.7N(1120)/Al2O3(1102)-Strukturen belegen die hohe Anisotropie der Welleneigenschaften durch das Materialsystem innerhalb der Waferebene für diese Orientierung. Für die Ausbreitungsrichtung <0001> in Bezug zur piezoelektrischen Schicht ergeben sich für Rayleigh-Moden (k2eff = 3.79%, Q = 1150, v = 4864ms−1) hohe effektive elektromechanische Kopplungskoeffizienten kombiniert mit einer hohen Güte. Weiterhin werden im Rahmen dieser Arbeit primär scherhorizontal polarisierte (SH) Moden für die Ausbreitungsrichtung 30 in Bezug zur <0001>-Richtung der Schicht identifiziert, die ebenfalls eine erhöhte elektromechanische Kopplung (k2eff = 3.59%, Q = 450, v = 3269ms-1) aufweisen. Anhand der experimentellen Ergebnisse werden in einer abschließenden theoretischen Analyse neuartige Schichtabfolgen entwickelt. Diese führen zu einer verbesserten Abschirmung der akustischen und elektrischen Felder in der Schicht. In Kombination mit einer Float-Elektrode können die Vektorkomponenten der elektrischen Felder entlang der <0001>-Richtung der Schicht verstärkt und damit eine erhöhte effektive elektromechanischen Kopplung k2eff > 6% der zweiten Mode bei hoher Phasengeschwindigkeit v > 4500ms-1 erreicht werden. Die Ergebnisse der Arbeit liefern die Grundlage für die Etablierung von Al1-xScxN basierten Oberflächenwellenresonatoren erhöhter elektromechanischer Kopplung für die Realisierung von breitbandigen Oberflächenwellenfiltern.