Piezoelektrische und ferroelektrische HfAlN-Schichten zur energieeffizienten Erzeugung und Ausbreitung von hochfrequenten, akustischen Wellen (Akronym: Tsunami)

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ambacher; Dr. Simon Fichtner
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553113037

Das wissenschaftliche Arbeitsprogramm des Projekts sind durch die stetig steigenden Anforderungen an die strukturellen, elastischen und piezo-/ferroelektrischen Eigenschaften von aktiven Schichten in akustischen Hochfrequenzfiltern für Anwendungen im Mobilfunk motiviert. Für hohe Trägerfrequenzen werden die Filter mit Hilfe von „bulk acoustic wave“ Bauelementen (BAW) realisiert, die wegen der intensiven Nutzung von Smartphones besonders energieeffizient sein müssen. Die Zielstellung des Projekts ist der erstmalige Nachweis piezoelektrischer und ferroelektrischer Eigenschaften von ungeordneten HfAlN-Legierungen mit hexagonaler Kristallstruktur. Dabei liegt der Fokus des grundlagenwissenschaftlichen Projekts auf der Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von HfAlN-Dünnschichten, die im Vergleich zu ScxAl1-xN eine verbesserte Kombination aus piezoelektrischem Kopplungskoeffizient und elastischer Steifigkeit besitzen und/oder eine verbesserte Kombination aus hoher remanenter Polarisation und niedriger Koerzitivfeldstärke aufweisen. Wird der piezoelektrische Spannungskoeffizient e33 von hexagonalem AlN durch die Legierung mit kubischen HfN maximiert, so sinkt mit der zunehmenden Anzahl von Al-Atomen die durch Hf substituiert werden, der Steifigkeitskoeffizient C33. Im Gegensatz wird mit zunehmender Legierung die Permittivität ε33 und die Massendichte der ungeordneten wz-HfAlN-Mischkristalle ansteigen. Diese Änderungen der Materialparameter werden besonders drastisch, wenn durch die Legierung ein struktureller Überhang induziert wird. Da der piezoelektrische Spannungskoeffizient quadratisch in den Kopplungskoeffizienten und damit in die figure of merit (FOM) eines BAW-Bauelements eingeht, können wz-HfAlN-Mischkristalle den durch wz-ScAlN definierten Stand der Technik besonders im Hinblick auf die Energieeffizienz von BAWs deutlich übertreffen. Allerdings führt die einhergehende Abnahme der Steifigkeit sowohl zu einer Reduzierung der Eigenfrequenz als auch zu einer verringerten Güte der Bauelemente. Wird der Versuch unternommen die Eigenfrequenz durch eine Reduzierung der Dicke der piezoelektrischen Schicht zu kompensieren, so wird die Güte des BAW´s zusätzlich erniedrigt. Wir möchten dieses Optimierungsproblem in einer Kombination aus Experimenten und Simulationen angehen, indem wir anstreben die Eigenfrequenz über eine Anpassung der Schichtdicke konstant zu halten und dabei den FOM-relevanten Faktor (e33^2)⁄ε33 zu maximieren, ohne dabei C33 zu stark sinken zu lassen. Hierzu analysieren wir die strukturellen, elastischen und piezo-/ferroelektrischen Materialparameter von HfAlN-Legierungen, ermitteln auf dieser Basis die BAW relevanten Kenngrößen und geben eine Empfehlung zur Auswahl von Mischkristallen und Bauelemente-Designs, die sich aufgrund unserer Ergebnisse am besten eignen, um die Performance von BAW´s für Applikationen im Mobilfunk weiter zu steigern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen