Structural and mechanical properties of ScxAl1-xN thin films at high temperatures

Abstract: In order to address the issue of high energy consumption of data transfer, for example, via mobile communication devices, the integration of next-generation bulk acoustic wave (BAW) resonators, based on the novel semiconductor scandium aluminum nitride (Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N), represents a promising approach for the development of energy-efficient high-frequency filters. This ternary compound displays enhanced piezoelectric behavior while exhibiting a tolerable reduction in stiffness up to the phase transition from the hexagonal wurtzite structure to the cubic rock salt structure. The potential issues associated with elevated temperatures within the devices remain unresolved, including the temperature-dependent shift in resonance frequency. Accordingly, this study aims to address these concerns at the material level by showing device-relevant material properties with the objective of enhancing the long-term applicability and energy efficiency of BAW resonators for mobile communication applications.
Therefore, the phase transition from wurtzite to rock salt Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N is investigated via X-ray diffraction (XRD) with the objective of determining the composition-dependent structural properties and a comprehensive comparison of elastic properties is conducted, taking into account directionality. It is postulated that the pronounced reactions of these properties originate from the introduction of an electron in the d-orbital to the crystal structure through the substitution of Al with Sc. The ligand theory is employed to investigate the influence of this electron on bond angles and bond lengths. The work presented is the first occasion on which the phase transition of Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N is explained at the electron level.
Moreover, the temperature-dependent thermal expansion coefficient of Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N thin films in the wurtzite and rock salt structure has been determined via in-situ XRD experiments for the first time over the entire range of Sc contents. The correlation between thermal expansion and the elasticity of the material is investigated using the Debye model.
This has resulted in a comprehensive understanding of the similarities in alterations in structural and elastic properties caused by changes in the Sc content or elevated temperatures for Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N in the wurtzite and rock salt crystal structure for the first time
Abstract: Die Problemstellung des hohen Energieverbrauchs des Datentransfers mobiler Kommunikationsgeräte kann durch die Integration energieeffizienter \textit{Bulk Acoustic Wave} (BAW) Resonatoren der nächsten Generation gelöst werden. Das neuartige Halbleiternitrid Scandium-Aluminium-Nitrid (Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N) zeigt einen Anstieg der piezoelektrischen Eigenschaften sowie eine tolerierbare Verringerung der Steifigkeit bis zum Phasenübergang von der hexagonalen Wurtzitstruktur zur kubischen Steinsalzstruktur. Des Weiteren besteht noch Unklarheit über den Einfluss von hohen Temperaturen auf die Materialeigenschaften, welche sich auf die Resonatoren auswirken können, beispielsweise in Form einer Verschiebung der Resonanzfrequenz. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die genannten Probleme auf der Materialebene anzugehen, indem relevante Materialeigenschaften beschrieben und aufgeklärt werden. Die angestrebten Forschungsergebnisse zielen darauf ab, die langfristige Anwendbarkeit und Energieeffizienz mobiler Kommunikationsanwendungen zu optimieren.
Im Rahmen dieser Untersuchung erfolgt eine Analyse des Phasenübergangs von der Wurtzit- zur Steinsalzstruktur von Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N mittels Röntgenbeugung zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften. Zudem erfolgt ein Vergleich der richtungsabhängigen elastischen Eigenschaften. Es wird postuliert, dass das außerordentliche Verhalten dieser Eigenschaften auf das Elektron im d-Orbital der Sc-Atome zurückzuführen ist. Der Einfluss des Elektrons auf Bindungswinkel und Bindungslängen wird anhand des Ligandenmodells veranschaulicht. In diesem Kontext wird erstmals der Phasenübergang von Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N mittels der unterschiedlichen Elektronenkonfigurationen von Sc und Al erklärt.
Des Weiteren wurde der temperaturabhängige thermische Ausdehnungskoeffizient von Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N-Dünnschichten in der Wurtzit- und der Steinsalzstruktur erstmals durch in-situ XRD-Experimente über den gesamten Bereich des Sc-Gehalts bestimmt. Die Korrelation zwischen thermischer Ausdehnung und Elastizität des Materials wird mit Hilfe des Debye-Modells untersucht. Dadurch konnten Gemeinsamkeiten der Variationen der strukturellen und elastischen Eigenschaften, abhängig vom Sc-Gehalt und hohen Temperaturen, für Sc\textsubscript{\textit{x}}Al\textsubscript{1-\textit{x}}N in der Wurtzit- und Steinsalzstruktur erklärt werden

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2024

Classification and Topics

• Keyword: Mechanische Eigenschaft ; Dünne Schicht ; Mikrostruktur ; Röntgendiffraktometrie ; Nitride ; Wärmeausdehnung ; Mechanische Eigenschaft ; Schallwelle

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2024
• Creator: Mihalic, Saskia
• Contributor: Ambacher, Oliver ; Fiederle, Michael ; Professur für Leistungselektronik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/260572
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2605724
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 15.08.2025, 7:29 AM CEST