Untersuchung von ScAlN für piezoelektrische und ferroelektrische Anwendungen

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ScxAl1-xN ist ein vielversprechendes Material, da Scandium unter Beibehaltung der kristallinen Wurtzitstruktur die piezoelektrischen Konstanten gegenüber reinem AlN stark erhöht. In dieser Arbeit wird ein stationäres reaktives Puls-Magnetron-Sputtern zur Abscheidung von Funktionsschichten mit einem Scandiumgehalt x = 0.... 0,44 eingesetzt. Die Schichtmorphologie, die piezoelektrische Eigenschaften als auch die Durchbruchspannung werden untersucht. XRD-Messungen zeigen, dass ein hoher Scandiumgehalt zu einer schwächer ausgeprägten Wurtzitbildung führt. Die vom Parameter x abhängige Gitterkonstante wurde auf der Basis von XRD-Daten berechnet. Die resultierende Kurvencharakteristik stimmt mit der Dichtefunktionaltheorie überein. Der höchste piezoelektrische Koeffizient d33 wurde bei einem Scandiumgehalt von 36,6 % beobachtet, er beträgt 27,5 pC / N. Parallele Kondensatorstrukturen wurden durch chlorbasiertes ICP-Ätzen und Lift-Off-Strukturierung der oberen Elektroden erzeugt. Die technologischen Details des Strukturierungsprozesses werden vorgestellt. Die Ätzrate von ScxAl1-xN hängt dabei stark vom Scandiumgehalt ab. Anhand der Teststrukturen wurde die Permittivität bestimmt. Sie nimmt mit zunehmendem Scandiumgehalt signifikant zu. Es wurden hohe Kapazitätswerte bis zu 7,4 nF gemessen. Die adäquate Durchbruchspannung von 51 V für Scandiumkonzentrationen von x = 0,22 oder höher legt nahe, dass solche Schichten neben den bewährten piezoelektrischen Anwendungen für integrierte Dünnschichtkondensatoren verwendet werden können.