Diamantscheiben für die Mikro-elektromechanische Wandler, CDISK
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mikroelektromechanische-Resonatoren aus nanokristallinem Diamant (NCD) großer Härte sind interessante Kandidaten für On-Chip-Resonatoren mit hohem Qualitätsfaktor (Q) und hoher Resonanzfrequenzen (f), die zur Realisierung von effizienten Frequenzfiltern mit Anwendungen in Mobilfunksystemen eingesetzt werden können. Insbesondere Scheibenresonatoren, die in Flüstergaleriemoden (WGMs) vibrieren, können aufgrund ihres geringen Ankerverlusts sehr hohe (fxQ)-Werte erzielen. Der Nachteil dieser Resonatoren besteht in ihren kleinen Schwingungsamplituden, die durch die geringe elektrostatische Wechselwirkung zwischen den anregenden Elektroden und dem Resonator verursacht wird. Im Projekt C-DISK wurde aus diesem Grund eine alternative Anregung hochfrequenter, mechanischer Schwingungen von Scheibenresonatoren durch piezoelektrische AlN-Filme erforscht. Die Kombination von NCD- MEMS-Resonatoren mit herkömmlichen AlN-Sputter- und Si-Prozesstechnologien stellt eine sehr kostengünstige Vorgehensweise dar, um mikromechanische Resonatoren (MEMS) mit sehr hohen Güten in Schaltungen mit hohen Betriebsfrequenzen zu integrieren. Diese Resonatoren besitzen daher ein hohes Potential für die Realisierung von Single-Chip- Filteranordnungen mit Betriebsfrequenzen von 0,7 bis 2,7 GHz, da sie nicht nur die erforderliche Rekonfigurierbarkeit des Front-Ends, sondern auch energieeffiziente und vielseitige Transceiver-Designs ermöglichen. Im Rahmen von CDISK wurde zunächst die maximalen Auslenkungen der Resonatoren, die mit Hilfe von FEM COMSOL-Simulationen bestimmt. Simuliert wurde ein Scheibenresonator aus NCD:B („kapazitiver“ Resonator) und einer basierend auf einer AlN/NCD:B-Struktur („piezoelektrischer“ Resonator). Unsere Wahl in CDISK auf Scheibenresonatoren mit piezoelektrischer Anregung zu fokussieren, war hauptsächlich durch die hohen simulierten fxk2-Kennzahlen und durch die Möglichkeit gegeben, die Qxf-Werte durch die Verwendung des „Suspended-Electrode“-Systems zu erhöhen, motiviert. Im Projekt wurde die komplexe Optimierung des PCR-Resonator-Designs, der Dünnfilmabscheidung, die Prozesstechnik zusammen mit der Charakterisierung der Heterostrukturen und schließlich der Resonator-Bauelemente umgesetzt. Die aus den LDV-Schwingungsspektren abgeleiteten Gütefaktoren Q für die WGMs der der piezoelektrischen Scheibenresonatoren wurden mit den Eigenschaften von Diamant-basierten Brücken und Balken aus unseren Vorarbeiten verglichen. Während die Q-Faktoren für Balken und Brücken mit zunehmender Frequenz abnehmen und einer allgemeinen Begrenzung der Güte durch Klemmverluste folgen, lässt sich bei sich mit den entwickelten Scheibenresonatoren eine simultane Zunahme der Güte und Frequenz realisieren. Wir beobachten bei den gewählten Geometrien der Scheibenresonatoren eine lineare Zunahme der Güte von 200 bis 3000 bei einem Anstieg der Resonanzfrequenz von WGMs von 3 MHz auf 50 MHz. Die erzielten Projektergebnisse zur Material- und Technologieentwicklung von AlN/Diamantbasierten Scheibenresonatoren wurden bereits als Vorarbeiten in einen BMBF-Antrag zur Entwicklung von Frequenzfiltern für das Mobilfunknetz (5G, 6G eingebracht). In diesem Projekt soll das „down scaling“ der Resonatoren zur Realisierung von Resonanzfrequenzen von > 800 MHz umgesetzt sowie die piezoelektrische Anregung mit Hilfe von ScAlN realisiert werden, um die Schwingungsamplituden der Resonatoren bei gleichen Betriebsspannungen zu erhöhen. Erst wenn dies gelingt wird die Vision von Ultra-High-Q-Resonatoren und die Realisierung völlig neuer Konzepte in Front-End-Architekturen, die eine Kanalauswahl anstelle der Bandauswahl direkt nach der Antenne der Empfängereinheit ermöglichen, erreichbar sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Nanodiamond resonators fabricated on 8 ″Si substrates using adhesive wafer bonding,” Journal of Micromechanics and Microengineering 27 (6), 065011 (2017)
V. Lebedev, T. Lisec, T. Yoshikawa, M. Reusch, D. Iankov, C. Giese, A. Žukauskaitė, V. Cimalla and O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6439/aa6e76) - “Temperature cross-sensitivity of AlN-based flexural plate wave sensors,” IEEE Sensors Journal 18, 7810 (2018)
M. Reusch, K. Holc, V. Lebedev, N. Kurz, A. Zukauskaite, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2853644) - “Formation of icosahedron twins during initial stages of heteroepitaxial diamond nucleation and growth,” Journal of Applied Physics 125 (7), 075305 (2019)
V. Lebedev, T. Yoshikawa, C. Giese, L. Kirste, A. Žukauskaitė, A Graff, F. Meyer, F. Burmeister, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5085184) - “Influence of substrate holder configurations on bias enhanced nucleation area for diamond heteroepitaxy: Toward wafer-scale single-crystalline diamond synthesis,” Journal of Vacuum Science & Technology B 37, 021207 (2019)
T. Yoshikawa, D. Herrling, F. Meyer, F. Burmeister, C.E. Nebel, O. Ambacher, V. Lebedev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1116/1.5086020) - “Influence of Different Surface Morphologies on the Performance of High-Voltage, Low- Resistance Diamond Schottky Diodes”, IEEE Transactions on Electron Devices 67 (6), 2471 (2020)
P. Reinke, F. Benkhelifa, L. Kirste, H. Czap, L. Pinti, V. Zürbig, V. Cimalla, Ch. Nebel, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TED.2020.2989733) - “Microstructural and optical emission properties of diamond multiply twinned particles,” Journal of Applied Physics 127 (2), 025303 (2020)
V. Lebedev, T. Yoshikawa, C. Schreyvogel, L. Kirste, J. Weippert, M. Kunzer, A. Graff, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5127170) - “Growth defects in heteroepitaxial diamond,” Journal of Applied Physics 129 14 (2021)
V. Lebedev, J. Engels, J. Kustermann, J. Weippert, V. Cimalla, L. Kirste, Ch. Giese, P. Quellmalz, A. Graff, F. Meyer, M. Höfer, V. Sittinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/5.0045644) - „Quality Assessment of In Situ Plasma-Etched Diamond Surfaces for Chemical Vapor Deposition Overgrowth,” Phys. Status Solidi (a) 218, 2100035 (2021)
J. Langer, V. Cimalla, M. Prescher, J. Ligl, B. Tegetmeyer, C. Schreyvogel, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssa.202100035)
