Dotierung von AlN

Vor über einem Jahrzehnt wurde die Dotierung von Aluminiumnitrid (AlN) mit Seltenerdmetallen unter Verwendung von Scandium (Sc) experimentell demonstriert. Damit ist es möglich, die moderaten piezoelektrischen Eigenschaften von reinem AlN wesentlich um bis zu 500% zu verbessern. Seitdem wurden verschiedene Dotierelemente sowohl in Form von ternär (Ta, Cr) und quaternär (Mg und Hf/Zr) dotiertem AlN untersucht. Bisher wurde aber noch keine Materialkombination gefunden, welche höhere piezoelektrische Konstanten als Sc-dotiertes AlN (ScAlN) mit Konzentrationen bis zu 43 at% Sc aufweist.

Yttrium

Für Yttrium (Y)-dotiertes AlN mit 40 at% Y sagen Dichtefunktionaltheorie (DFT) Simulationen eine Verbesserung der piezoelektrischen Koeffizienten um den Faktor 4 voraus, was vergleichbar ist zu ScAlN mit 35 at% Sc. Yttrium ist dabei aber wesentlich kosteneffizienter als Scandium. Darüber hinaus sagen DFT-Berechnungen eine höhere Phasenstabilität von YAlN (bis zu 75 at% Y) im Vergleich zu ScAlN (bis zu 50 at%) voraus, bevor sich das Material in einem nicht-piezoelektrischen kubischen Kristallgitter stabilisiert. Somit hat YAlN das Potenzial, ScAlN bei höheren Dotierungskonzentrationen zu übertreffen und eine signifikant höhere piezoelektrische Leistung im Vergleich zu reinem AlN zu erreichen.

Ziele

In dieser Doktorarbeit wird das Potenzial von Yttrium als Dotierung in AlN für Anwendungen in Bulk Acoustic Wave (BAW) Bauelementen untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung von Schlüsseleigenschaften wie piezoelektrischen Koeffizienten und elektromechanischer Kopplung liegt. Die YAlN-Dünnschichten werden mit einem industriellen Sputtersystem abgeschieden und daraus BAW Resonatoren in den hochmodernen Reinraumanlagen am ISAS / TU Wien hergestellt. Die entwickelten Materialien werden dann mit ScAlN verglichen.