Bestimmung linearer und nichtlinearer elastischer, piezoelektrischer und dielektrischer Eigenschaften von Aluminium-Scandium-Nitrid-Schichten in Abhängigkeit der Scandium-Konzentration

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ambacher; Professor Dr. Andreas Mayer
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495652244

Das Hauptziel des Projekts besteht in der Bestimmung eines vollständigen Satzes von Tensorkomponenten der elastischen und piezoelektrischen Eigenschaften von Dünnschichten aus hexagonalem Al1-xScxN mit Sc-Konzentrationen von bis zu x = 0.4, um den Zusammenhang der linearen Tensorkomponenten mit der Sc-Konzentration und dessen nichtlinearen Verlauf beschreiben zu können. Dafür sollen erstmals Messungen sowohl mit Proben auf Basis von c-Achsen-orientierten als auch a-plane-orientierten Schichten auf r-plane-Saphir verwendet werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen vollständigen Satz an Tensorkomponenten für verschiedene Zusammensetzungen der ternären Mischkristalle experimentell zu bestimmen. Hierzu wird die Ausbreitungsrichtung von Oberflächenwellen in mikroakustischen Resonatoren gegenüber den Kristallachsen der c- und a-plane Al1-xScxN-Dünnschichten kontrolliert gedreht. Durch diese Messungen können der Kopplungskoeffizient von SAW-Bauelementen und die Phasengeschwindigkeit der Wellen in Abhängigkeit von der Kristallrichtungen bestimmt werden. Diese erlauben die Extraktion der piezoelektrischen und elastischen Konstanten.Die Bestimmung der linearen Tensorkomponenten bildet die Basis für die Erforschung nichtlinearer Konstanten. Um dieses Ziel zu erreichen, sind weiterführende Messungen vorgesehen, bei denen ein äußeres, statisches elektrisches Feld eingesetzt und variiert wird, um die piezoelektrischen Kristallschichten kontrolliert zu „versteifen“. Darüber hinaus werden piezoakustische Oberflächenwellen-Resonatoren und die Laser-Ultraschall-Methode durch eine Biegeapparatur erweitert, um die nichtlinearen elastischen Konstanten zu bestimmen. Bei den geplanten Experimenten und ergänzenden Simulationen handelt es sich um Grundlagenforschung, zu der es noch keinerlei Daten gibt und für deren Durchführung neue Methoden und Algorithmen zur Datenauswertung von den Antragstellern entwickelt werden.Zur Vermeidung von Missverständnissen möchten wir an dieser Stelle darauf hinweisen, dass der Begriff „nichtlinear“ bzw. „Nichtlinearität“ in diesem Antrag mit zwei unterschiedlichen Bedeutungen verwendet wird. Zum einen bezeichnet er die nichtlineare Abhängigkeit der linearen Materialkonstanten (also der elastischen und piezoelektrischen Konstanten zweiter Ordnung und der dielektrischen Konstanten) vom Scandium-Gehalt x. Zum anderen bezieht er sich auf die nichtlinearen Materialkonstanten, also die elastischen und piezoelektrischen Konstanten dritter Ordnung, die Elektrostriktionskonstanten etc.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen