Erhöhung der piezoelektrischen Koeffizienten von gesputterten AlN-Dünnfilmen durch Dotieren mit Übergangsmetallen für MEMS

Bauelemente der Mikrosystemtechnik (MEMS) basieren zunehmend auf piezoelektrischen Dünnfilmen und sind aus diesem Grund Gegenstand intensiver Forschungsanstrengungen. Vorteile bei der Verwendung von piezoelektrischen Aluminium Nitrid (AlN) Dünnfilmen sind die Kompatibilität zu etablierten komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Prozessen, die geringe Permittivität sowie eine hohe Temperaturstabilität. Die piezoelektrischen Koeffizienten von AlN-Dünnfilmen sind dagegen von moderater Größe.
Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von AlN-Schichten, deren piezoelektrische Eigenschaften durch Übergangsmetalldotierung verbessert werden. Zu Beginn wird die Herstellung von wurtziten ScxAl1-xN-Schichten demonstriert und für hohe Konzentrationen (x = 27%) hinsichtlich piezoelektrischer Eigenschaften und Qualität der Mikrostruktur optimiert, um ihre Anwendung in piezoelektrischen MEMS Bauelementen zu ermöglichen. Zur präzisen und simultanen Messung der piezoelektrischen Koeffizienten d33 und d31 mit einer indirekten Messmethode werden gezielt neue Elektroden designet, die die Genauigkeit erhöhen und die Substratkrümmung reduzieren. Zusätzlich wird das Potential alternativer Dotierelemente zur Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten anhand der YxAl1-xN und CrxAl1-xN Materialsysteme untersucht. Speziell für das YxAl1-xN System zeigt die erstmals durchgeführte systematische Studie auf Basis von ab initio Berechnungen ein sehr großes Potential zur Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten.
Anschließend wird die Herstellung von piezoelektrischen Cantilevern auf Basis von AlN- und ScxAl1-xN-Schichten demonstriert. Dabei wird zunächst auf die Anwendung als sensorische Schicht im selbst-aktuierten Betrieb eingegangen und der Einfluss der höheren piezoelektrischen Koeffizienten von ScxAl1-xN untersucht. Im letzten Teil erfolgt die Evaluierung der Schichtsysteme für Energy Harvesting Anwendungen. In beiden Anwendungsfällen führt der Einsatz von ScxAl1-xN zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz der Bauteile.

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Bauelemente der Mikrosystemtechnik (MEMS) basieren zunehmend auf piezoelektrischen Dünnfilmen und sind aus diesem Grund Gegenstand intensiver Forschungsanstrengungen. Vorteile bei der Verwendung von piezoelektrischen Aluminium Nitrid (AlN) Dünnfilmen sind die Kompatibilität zu etablierten komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Prozessen, die geringe Permittivität sowie eine hohe Temperaturstabilität. Die piezoelektrischen Koeffizienten von AlN-Dünnfilmen sind dagegen von moderater Größe.
Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von AlN-Schichten, deren piezoelektrische Eigenschaften durch Übergangsmetalldotierung verbessert werden. Zu Beginn wird die Herstellung von wurtziten ScxAl1-xN-Schichten demonstriert und für hohe Konzentrationen (x = 27%) hinsichtlich piezoelektrischer Eigenschaften und Qualität der Mikrostruktur optimiert, um ihre Anwendung in piezoelektrischen MEMS Bauelementen zu ermöglichen. Zur präzisen und simultanen Messung der piezoelektrischen Koeffizienten d33 und d31 mit einer indirekten Messmethode werden gezielt neue Elektroden designet, die die Genauigkeit erhöhen und die Substratkrümmung reduzieren. Zusätzlich wird das Potential alternativer Dotierelemente zur Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten anhand der YxAl1-xN und CrxAl1-xN Materialsysteme untersucht. Speziell für das YxAl1-xN System zeigt die erstmals durchgeführte systematische Studie auf Basis von ab initio Berechnungen ein sehr großes Potential zur Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten.
Anschließend wird die Herstellung von piezoelektrischen Cantilevern auf Basis von AlN- und ScxAl1-xN-Schichten demonstriert. Dabei wird zunächst auf die Anwendung als sensorische Schicht im selbst-aktuierten Betrieb eingegangen und der Einfluss der höheren piezoelektrischen Koeffizienten von ScxAl1-xN untersucht. Im letzten Teil erfolgt die Evaluierung der Schichtsysteme für Energy Harvesting Anwendungen. In beiden Anwendungsfällen führt der Einsatz von ScxAl1-xN zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz der Bauteile.