Surface acoustic wave devices based on c-plane and a-plane AlScN

Abstract: Es wird vorhergesagt, dass der weltweite mobile Datenverkehr bis Ende 2025 um ein fünffaches anwachsen wird und, weshalb die Übertragungsraten hierzu Schritt halten müssen. Der Standard der 5. Generation (5G) verspricht gesteigerte Übertragungsraten durch größere relative Bandbreite der für die mobile Kommunikation verwendeten Frequenzbänder. Die relative Bandbreite von Radiofrequenz- (RF-) Filtern entspricht in etwa der Hälfte des Wertes der effektiven elektromechanischen Kopplung der verbauten Komponenten, wie zum Beispiel Oberflächenwellen- und Volumenwellen-Resonatoren (engl. surface acoustic wave - SAW und bulk acoustic wave - BAW). Etablierte Materialien wie Aluminiumnitrid (AlN) eignen sich nur bedingt für 5G RF-Filter. Verglichen mit AlN zeigt das Material Aluminiumscandiumnitrid (Al1–xScxN mit x < 0,43) einen bis zu doppelt so hohen piezoelektrischen Koeffizienten e33 und einen halb so großen elastischen Koeffizienten C33, was bei Erhalt der positiven Eigenschaften von AlN zu einer höheren elektromechanischen Kopplung führt. Folglich ist dies ein vielversprechendes Material für 5G RF-Filter.

Das Potential von AlScN lässt sich durch Herstellung und systematische Untersuchung von SAW Resonatoren aus diesem neuartigen Material überprüfen. Des Weiteren lässt sich die elektromechanische Kopplung von SAW Resonatoren auf Basis von beispielsweise AlN oder GaN optimieren indem die polare c-Achse des Kristalls in die Ebene der Dünnschicht gelegt wird, so wie es bei Schichten der Fall ist, die mit der unpolaren a-Ebene (engl. a-plane) auf dem Substrat wachsen. Für das a-plane AlScN wird eine noch höhere Kopplung erwartet als für das c-plane ausgerichtete Material, bei dem die polare c-Achse senkrecht zum Schichtoberfläche steht und auf welches sich bisher die meisten Untersuchungen konzentrierten. Das Ziel dieser Dissertation ist es darum, AlScN-basierte SAW Resonatoren zu entwerfen und herzustellen, ihre Leistung in Abhängigkeit der Sc Konzentration, des gewählten Substrats, der Temperatur, der Kristallorientierung (a-plane, c-plane) und Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen zu untersuchen sowie das beste Design für eine hohe effektive elektromechanische Kopplung zu ermitteln.

In dieser Arbeit wurden SAW Resonatoren aus Al1–xScxN mit x = {0; 0,14; 0,23; 0,32; 0,41} und Wellenlängen zwischen 2 und 24 µm hergestellt sowie ihre Kenngrößen ermittelt. Grundlage waren mit dem Sputter-Verfahren hergestellte c-plane orientierte AlScN Schichten auf Si(100) und Al2O3(0001) Substraten, als auch a-plane AlScN auf Al2O3(1-102) Substraten. Die Resonanzfrequenzen der Strukturen lagen zwischen 0,18 und 2,1 GHz. Die Kopplung steigt mit zunehmender Anzahl an Elektroden-Fingern der Resonatoren und ein Bestwert für Apertur und Zuleitungslänge konnte ermittelt werden.

Verglichen mit AlN-basierten Resonatoren verbesserte sich die Kopplung um bis zu 500 % bei x = 0,41. Eine derartige Steigerung erklärt sich durch die erwähnte Veränderung der Al1–xScxN Materialparameter e33 und C33 mit der Sc Konzentration x. Die elastischen Eigenschaften beeinflussen außerdem die Resonanzfrequenz, die bei steigendem x leicht abnimmt. Nach bestem Wissen der Autorin wurde eine solche systematische Untersuchung von SAW-Resonatoren auf der Basis von Al1-xScxN mit x = [0; 0,41] noch nicht durchgeführt erledigt. Darüber hinaus wurde nur eine Studie über die Leistung von SAW-Resonatoren basierend auf Al1–xScxN mit x berichtet, die so knapp unterhalb der Grenze liegt (x = 0,43), bei der das Material beginnt kubische Kristallite zu bilden.

Es ist darüber hinaus das erste Mal, dass hochqualitative a-plane AlScN Dünnschichten hergestellt wurden. Für a-plane Al0,77Sc0,23N wurde eine Steigerung der Kopplung um bis zu 1000 % im Vergleich zu c-plane Al0,77Sc0,23N-basierten Resonatoren festgestellt. Dies könnte durch die teilweise parallele Ausrichtung des von den IDTs ausgehenden elektrischen Feldes mit der polaren Achse zusammenhängen. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Kopplung von a-plane AlScN-basierten Resonatoren stark von der Orientierung auf der Waferoberfläche abhängt. Der höchste Wert lag 1200 % über dem niedrigsten Wert und wurde bei einer Abweichung von ±30° von der wahrscheinlichen Ausrichtung der c-Achse beobachtet. Die könnte sich durch einen zusätzlichen Beitrag von e15 und C44 erklären lassen.

Der Wechsel von c-plane zu a-plane geht mit einer Veränderung der optimalen Resonatorwellenlänge einher, bei der der höchste positive Einfluss von e33 und C33 auf die Kopplung erzielt wird. Die veränderten Bestwerte für Kopplung in Abhängigkeit der Wellenlänge erlauben die Abdeckung des Frequenzbereichs von 1,14 bis 1,71 GHz bei einer Kopplung von 3,7 bis 4,1 %. Darüber hinaus kann auf Grundlage der beobachteten Trends der Frequenzbereich zu beiden Seiten hin erweitert werden und eine höhere Kopplung kann ebenfalls erreicht werden. Selbst Frequenzen von 2,05 GHz, bzw. 2,87 GHz wurden bei einer Kopplung von etwa 2,8 % erreicht, wenn die zweite Ordnung von Oberflächenwellenmoden auf a-plane, bzw. c-plane Al0,68Sc0,32N-basierten Resonatoren untersucht wurde.

Die Beständigkeit der Resonatoren über die Zeit und bei thermischer Beanspruchung wurde ebenfalls untersucht. Der Temperaturkoeffizient der Frequenz (engl. temperature coefficient of frequency - TCF) von Resonatoren mit einer Wellenlänge von 2 µm steigt in den Untersuchungen nicht-linear, allerdings nur leicht um 6,8 % mit x von 0 nach 0,32. Die experimentell bestimmten Verläufe der Phasengeschwindigkeit und Kopplungsdispersion wurden zur Ableitung der elastischen und piezoelektrischen Materialparameter der gewachsenen Al1–xScxN Dünnschichten herangezogen. Aufbauend auf diesen Parametern wurden Simulationen der Resonatoren durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse verbessen das Verständnis, wie das temperaturabhängige Verhalten der Materialien die Resonanzfrequenz beeinflusst. Auf diese Weise können das Design und die Modelle zur Simulation von SAW Resonatoren mit komplexem Schichtaufbau weiter optimiert werden. Zum ersten Mal wurde der intrinsische SAW TCF von Al1–xScxN bestimmt und das Ergebnis wird die Weiterentwicklung der Technologie zur Kompensation von Temperatureffekten in Resonatoren vorantreiben. Dies ist von großer Bedeutung für heutige Smartphones, bei denen einzelne Komponenten im Inneren eine Temperatur von bis zu 90 °C erreichen können. Die Konsistenz der erzielten Ergebnisse der hohen Kopplung mit dem aktuellen Stand der Technik, sowie die thermische und dauerhafte Beständigkeit der Resonatoren spiegeln die Robustheit der hier entwickelten Technologie zur Abscheidung von AlScN Dünnschichten und der Herstellung von SAW Resonatoren wider.

Wie bereits erwähnt, muss die Kopplung im Resonator ungefähr doppelt so groß wie die relative Bandbreite der RF-Filter und der anvisierten Frequenzbänder sein. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die hergestellten SAW Resonatoren die Anforderung für RF-Filter für drei 5G Bänder (n51, n70 und n76) erfüllen könnten, von denen zwei bereits für eine Nutzung in Nordamerika vorgesehen sind
Abstract: The global mobile data volume is projected to grow five-fold by the end of 2025 and transmission rates must keep up. 5G standard promises higher rates by increasing relative bandwidths of the frequency bands used for mobile communications. The relative bandwidth of radio frequency (RF) filters is approximately half of the effective electromechanical coupling of their components, i.e. surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) resonators. The traditional materials, e.g. aluminum nitride (AlN), are only suitable to a limited extent for the 5G RF filters. Compared to AlN, aluminum scandium nitride (Al1–xScxN with x < 0.43) exhibits up to twice as high piezoelectric coefficient e33 and up to two times lower elastic coefficient C33, leading to higher electromechanical coupling, while retaining all the advantages of AlN. Consequently, it is considered a promising material for 5G RF filters.

The potential of AlScN can be evaluated by fabricating SAW resonators based on this novel material and thoroughly investigating their performance. Furthermore, as the electromechanical coupling of SAW resonators based on, e.g. AlN or GaN, can be improved by rotating the “piezoelectric axis” (i.e. polar c-axis) from out-of-plane of the thin film (i.e. c-plane) to in-the-plane (i.e. a-plane), higher coupling can also be expected with a-plane AlScN as the active material. However, so far most AlScN investigations have focused on its c-plane orientation. The aim of this thesis, therefore, is to design and fabricate AlScN-based SAW resonators, investigate their performance with regards to Sc concentration, substrate, temperature, crystal orientation of the thin film (a-plane, c-plane) and SAW propagation direction as well as find their optimal design for high effective electromechanical coupling.

In this work, SAW resonators with x = {0; 0.14; 0.23; 0.32; 0.41} and wavelengths from 2 to 24 µm were fabricated on sputter-deposited c-plane Al1–xScxN/Si(001), c-plane Al1–xScxN/Al2O3(0001) as well as a-plane Al1–xScxN/Al2O3(1-102) thin films and their performance systematically characterized. The resulting resonant frequencies lie in the range of 0.18 to 2.1 GHz. The coupling was found to increase with the amount of resonator fingers and coupling maxima were found according to aperture and the bus-bar length. Compared to the resonators based on AlN, the coupling improved by up to 500 % with x = 0.41. Such an increase was caused mostly by the mentioned evolution of Al1–xScxN material parameters e33 and C33 with x. The C33, in addition to C44 and C11, also influences the resonator frequency, which slightly decreased with x. To the best of the author’s knowledge, such a systematic study of SAW resonators based on Al1–xScxN with x = [0; 0.41] has not yet been done. Moreover, only one study has been reported on the performance of SAW resonators based on Al1–xScxN with x so close to the mentioned threshold of 0.43.

It is also the first time, that high quality a-plane AlScN thin films were grown. Up to 1000 % higher coupling was observed for a-plane Al0.77Sc0.23N compared to c-plane Al0.77Sc0.23N-based resonators. This could be caused by the alignment of the interdigitated transducer created electric field lines and the directions along which the piezoelectric effect takes place. Moreover, the coupling of a-plane AlScN-based resonators was observed to be highly influenced by their orientation. The maxima of coupling, at 1200 % higher than minima, were observed at ±30° away from the likely orientation of c-axis. This could be explained by an additional contribution of AlScN material parameters e15 and C44.

Furthermore, switching from c-plane to a-plane AlScN also leads to the change of resonator wavelength at which the maximum positive e33 and C33 influence on coupling is observed. The different position of coupling maxima with regards to the wavelength then enables to cover the frequency range from 1.14 to 1.71 GHz with coupling values in the range from 3.7 to 4.1 %. Moreover, this frequency range can be expanded at both ends and higher coupling can be obtained based on the observed tendencies. Even higher frequencies of 2.05 GHz and 2.87 GHz were reached with a coupling of ~2.8 % by employing the 2nd order SAW propagation modes on a-plane and c-plane Al0.68Sc0.32N-based resonators, respectively.

The temporal and thermal stability of the fabricated resonators was investigated. The temperature coefficient of frequency (TCF) of 2 µm wavelength resonators was observed to increase non-linearly but only slightly (6.8 %) with x from 0 to 0.32. The experimentally obtained phase velocity and coupling dispersion curves were used for simulations of the resonators. The obtained results improve the understanding how the thermal behaviour of each material affects the resonator frequency. The design and simulation models of SAW resonators with complex layered structures can be strengthened. For the first time, the intrinsic SAW TCF of Al1–xScxN was determined and will assist in implementing the temperature compensation for the resonators. It is important for nowaday’s smartphones with internal temperatures reaching 90 °C. The agreement of the obtained high coupling with state of the art, good thermal and temporal stability of the resonators signify the high robustness of in-house developed AlScN material growth and SAW resonator fabrication technology.

As mentioned, the resonator coupling must be approximately twice the relative bandwidth of RF filters and targeted frequency bands. The presented results show that the fabricated SAW resonators could meet this requirement for producing RF filters for three 5G bands (n51, n70 and n76), two of which have already been assigned for use in North America

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Piezoelektrizität ; Aluminiumnitrid ; Dünne Schicht ; Resonator

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2021
• Urheber: Ding, Anli
• Beteiligte Personen und Organisationen: Ambacher, Oliver ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/193716
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1937160
• Rechteinformation: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:51 MEZ