Surface acoustic wave (SAW) devices on ScAlN thin films

Sinusía Lozano, Miguel (2020). Surface acoustic wave (SAW) devices on ScAlN thin films. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM).


Title: Surface acoustic wave (SAW) devices on ScAlN thin films
  • Sinusía Lozano, Miguel
  • Fuentes Iriarte, Gonzalo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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The massive volume of data transfer rate in the novel 5G technology implies multiple requirements the electroacoustic devices should meet. For tackling these technological constraints, surface acoustic wave (SAW) devices have been proposed because of their outstanding performances such as power handling capabilities, temperature stability or achievable resonance frequencies. However, long-term studied piezoelectric thin films such as aluminum nitride (AlN) or thin oxide (ZnO) lack the necessary piezoelectric constants and thus the achievable electromechanical coupling coefficients to fabricate SAW devices meeting the 5G bandwidth requirements. Introducing scandium (Sc) atoms into the wurtzite AlN phase has reported the piezoelectric response enlargement of the scandium aluminum nitride (ScAlN) compound as compared to the pristine AlN, providing the foundation to fabricate 5G ScAlN based SAW devices. The possibility of employing the mature AlN synthesis processes expands even further the industrial and research attraction of the ScAlN compound. The work carried out during these 3 years aims to study the feasibility of employing ScAlN thin films in 5G electroacoustic applications. The synthesis processes to obtain a reliable procedure promoting highly c-axis oriented ScAlN thin films together with the device design and fabrication routes have been studied in detail. In order to cope with the thermal budget limitations of nowadays high throughput CMOS compatible manufacture schemes, reactive sputtering without intentional substrate heating has been the method used to deposit the ScAlN compound. Since the piezoelectric response of the ScAlN compound is highly dependent on the Sc content, two alloy targets with different compositions, Sc0.40Al0.60 and Sc0.60Al0.40, have been used during this thesis. Several key parameters in the reactive sputtering process such as the discharge power or the process pressure have been studied to obtain highly c-axis oriented thin films on various substrates such as polycrystalline diamond. The unique presence of (0002) and (0004) reflections in X-ray diffraction θ-2θ scans together with ω-scan full width at half maximum (FWHM) values of the (0002) reflection below 2 degrees assess the quality of our highly textured thin films. Compositional analyses reported 26% and 43% Sc content in layers synthesized using Sc0.40Al0.60 and Sc0.60Al0.40 alloy targets, respectively. Measurements of the piezoelectric properties of our material confirm an increase of the piezoelectric d33 constant with the Sc content, as the Sc0.43Al0.57N thin film duplicates (-24 pC/N) the d33 constant value obtained for the Sc0.26Al0.74N thin film. The SAW propagation characteristics of Sc0.26Al0.74N and Sc0.43Al0.57N compounds on different substrates have been studied. In some cases, these characteristics agree with reported theoretical studies. However, the various improvements carried out during this thesis both in device design as well as from a materials perspective reflect on the electrical response of our SAW devices. As an example, the aforementioned increase of the d33 constant in the Sc0.43Al0.57N thin film translates into an enhanced effective electromechanical coupling coefficient (Keff 2 ). Rayleigh and Sezawa mode Keff 2 values are increased by 650 % and 150% respectively in devices comprising Sc0.43Al0.57N thin films as compared to Keff 2 values obtained for the same modes but being generated in Sc0.26Al0.74N layers. Finally, SAW filters have been fabricated on Sc0.43Al0.57N/diamond heterostructures with Sezawa mode bandwidths above 100 MHz and center frequencies close to 5 GHz. Our results confirm that ScAlN based devices are promising candidates to be implemented in 5G technology standards. ----------RESUMEN---------- La elevada cantidad de transferencia de datos de la nueva tecnología 5G implica que los dispositivos electroacústicos deban satisfacer ciertas especificaciones. Los dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW por sus siglas en inglés) son candidatos a ser utilizados en dispositivos para 5G debido a la capacidad de trabajar a elevadas potencias, su elevada estabilidad térmica y las frecuencias en las que son capaces de trabajar. Sin embargo, las capas piezoeléctricas delgadas que han sido estudiadas durante los últimos años como el nitruro de aluminio (AlN) o el óxido de cinc (ZnO) no poseen la respuesta piezoeléctrica necesaria para alcanzar el factor de acople electromecánico (K 2 ) para satisfacer el ancho de banda en la tecnología 5G. La inclusión de átomos de escandio (Sc) en la fase wurtzita del AlN incrementa la respuesta piezoeléctrica del compuesto resultante (ScAlN), situándolo como una gran opción para aplicaciones electroacústicas. Además, el hecho de poder utilizar las tecnologías desarrolladas para la síntesis de AlN expande todavía más el atractivo industrial y tecnológico del compuesto ScAlN. El objetivo del trabajo llevado a cabo durante estos 3 años es el estudio de las propiedades del compuesto ScAlN para fabricar dispositivos para 5G. Por tanto, los procesos de síntesis para obtener capas delgadas altamente orientadas en el eje c, así como la fabricación y diseño de los dispositivos deben ser tenidos en cuenta. En cuanto a la síntesis del compuesto, el proceso de pulverización catódica (sputtering) reactiva sin calentar intencionadamente el substrato ha sido estudiado. Debido a la dependencia de la respuesta piezoeléctrica del compuesto ScAlN con el contenido de Sc, dos blancos con composiciones diferentes han sido empleados: Sc0.40Al0.60 and Sc0.60Al0.40. La influencia que tienen los parámetros de la pulverización catódica reactiva, especialmente la presión y la potencia, han sido estudiadas para promover la síntesis de capas delgadas de ScAlN altamente orientadas en el eje c sobre diferentes substratos como por ejemplo, diamante policristalino. La presencia en los análisis θ-2θ de difracción de rayos X (XRD) de las reflexiones (0002) y (0004) del compuesto junto con los bajos valores del ancho a media altura del análisis ω (~2º) sobre la reflexión (0002) confirman la elevada textura de las capas sintetizadas. Los análisis de composición reflejan que los compuestos sintetizados con los blancos Sc0.40Al0.60 and Sc0.60Al0.40 tienen una composición de Sc0.26Al0.74N y Sc0.43Al0.57N, respectivamente. Las medidas de la respuesta piezoeléctrica confirman el aumento que la constante piezoeléctrica d33 con el contenido de escandio, ya que la constante d33 en la capa delgada Sc0.43Al0.57N (-24 pC/N) duplica a la medida en la capa Sc0.26Al0.74N. Las características de propagación de la onda acústica de superficie de ambos compuestos han sido estudiadas mediante dispositivos fabricados sobre diferentes substratos. Estas características confirman los estudios teóricos presentes en la literatura, así como las diferentes mejoras llevadas a cabo durante la tesis sobre los diseños y materiales de los dispositivos se ven reflejadas en la respuesta eléctrica de los mismos. El comentado aumento de la constante d33 en la capa Sc0.43Al0.57N se observa también en el factor de acople electromecánico (Keff 2 ) de los dispositivos. Estos valores para los modos Rayleigh y Sezawa aumentan en un 650 % y en un 150% respectivamente, los valores Keff 2 obtenidos en dispositivos fabricados con la capa Sc0.26Al0.74N. Finalmente, filtros de ondas acústicas de superficie han sido fabricados sobre una estructura con una capa Sc0.43Al0.57N sintetizada sobre un substrato de diamante. El ancho de banda del modo Sezawa en estos filtros es cercano a 200 MHz con frecuencias de resonancia cercanas a 5 GHz, lo que confirma que estos dispositivos pueden ser empleados en la tecnología 5G.

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Item ID: 62796
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.62796
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 29 Jun 2020 06:42
Last Modified: 15 Sep 2020 15:50
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