Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-
Im Projekt werden gemeinsam mit den Projektpartnern von der Carnegie Mellon University (CMU) neuartige Hochfrequenzfilter und elektro-optische Wandler entwickelt. Diese basieren auf piezo- und ferroelektrischen Aluminium-Scandium-Nitrid-Schichten, die am Fraunhofer FEP abgeschieden werden.
Grundlage für die angestrebten Bauelemente ist die Entwicklung einer industrietauglichen stabilen und reproduzierbaren Abscheidungstechnologie für piezoelektrische AlScN-Schichten mit guter Dicken- und Zusammensetzungshomogenität über 150 und 200 mm Waferdurchmesser bei hohen Abscheideraten von 3 nm/s. An AlScN-Schichten, die durch reaktives Magnetronsputtern von Sputtertargets aus einer AlSc-Legierung mit 35 % Sc-Gehalt abgeschieden wurden, konnte ein effektiver piezoelektrischer Koeffizient d33,f von 12 pm/V gemessen werden. Eine ferroelektrische Polarisierung war bei elektrischen Feldstärken von ±3,8 MV/cm möglich.
Im Bereich der mobilen Kommunikation erfordern die zunehmend großen Datenmengen den Übergang zu immer höheren Übertragungsfrequenzen. Dazu werden neuartige Konzepte für Bauelemente wie z. B. Frequenzfilter benötigt. Ein Beispiel ist der im Projekt entwickelte, sogenannte Overmoded Bulk Acoustic Resonator. Das Design dieser Resonatoren für Frequenzen von 50 GHz erfolgte beim Partner CMU, die Schichtabscheidung der piezoelektrisch aktiven Schicht sowie des akustischen Resonators am Fraunhofer FEP. Die Prozessierung zu einem Bauelement und die Charakterisierung erfolgte wiederum bei CMU1. Es wurde ein kt²-Wert von 5,5 % und ein Q-Wert von 108 gemessen . Mit diesen Parametern ist bereits die Anwendung in zukünftigen Bauelementen absehbar.
Photonische Bauelemente basieren zurzeit überwiegend auf Lithiumniobat aufgrund dessen vorteilhafter elektro-optischer Eigenschaften. Dieses Material ist jedoch nicht mit anderen Verfahren der Halbleiterfertigung kompatibel. Ziel ist es, gleichwertige Bauelemente auf der Basis von AlScN herzustellen, das CMOS-kompatibel ist und damit die Integration photonischer Komponenten in mikroelektronische Schaltungen ermöglicht. Ein erster Schritt dazu war die Herstellung und Charakterisierung von AlScN-Wellenleitern. Es wurde gezeigt, dass die optischen Verluste gering sind (fünfmal geringer als beim Stand der Technik), so dass optische Bauelemente auf der Grundlage von AlScN-Wellenleitern realisierbar sind. Weiterhin wurde bereits ein erster funktionsfähiger elektro-optischer Modulator auf Basis von AlScN demonstriert.
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1 J. Baek, S. Barth, T. Schreiber, H. Bartzsch, G. Piazza: 52 GHz 35% Scandium Doped Aluminum Nitride Overmoded Bulk Acoustic Resonator, 2024 Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint Symposium
2 B. Friedman, S. Barth, T. Schreiber, H. Bartzsch, J. Bain, G. Piazza: Measured optical losses of Sc doped AlN waveguides, Vol. 32, No. 4 / 12 Feb 2024 / Optics Express 5252