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P.M. Mayrhofer (Hrg.):
"Erhöhung der piezoelektrischen Koeffizienten von gesputterten AlN Dünnfilmen durch Dotieren mit Übergangsmetallen für MEMS";
Verlag TU Wien, Wien, 2016, ISBN: 978-3-903024-24-3; 211 S.

Bauelemente der Mikrosystemtechnik (MEMS) basieren zunehmend auf
piezoelektrischen Dünnfilmen und sind aus diesem Grund Gegenstand intensiver
Forschungsanstrengungen. Vorteile bei der Verwendung von piezoelektrischen
Aluminium Nitrid (AIN) Dünnfilmen sind die Kompatibilität zu etablierten komplementären
Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Prozessen, die geringe Perrnittivität sowie eine hohe
Temperaturstabilität. Die piezoelektrischen Koeffizienten von AIN-Dünnfilmen sind
dagegen von moderater Größe.
Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von AIN-Schichten, deren
piezoelektrische Eigenschaften durch Übergangsmetalldotierung verbessert werden. Zu
Beginn wird die Herstellung von wurtziten ScxAI1-xN-Schichten demonstriert und für hohe
Konzentrationen (x = 27%) hinsichtlich piezoelektrischer Eigenschaften und Qualität der
Mikrostruktur optimiert, um ihre Anwendung in piezoelektrischen MEMS Bauelementen zu
ermöglichen. Zur präzisen und simultanen Messung der piezoelektrischen Koeffizienten
d33 und d31 mit einer indirekten Messmethode werden gezielt neue Elektroden designet,
die die Genauigkeit erhöhen und die Substratkrümmung reduzieren. Zusätzlich wird das
Potential alternativer Dotierelernente zur Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten
anhand der YxAI1-xN und CrxAI1-xN Materialsysteme untersucht. Speziell für das
YxAI1-xN System zeigt die erstmals durchgeführte systematische Studie auf Basis von
ab initio Berechnungen ein sehr großes Potential zur Steigerung der piezoelektrischen
Koeffizienten.
Anschließend wird die Herstellung von piezoelektrischen Cantilevem auf Basis von
AIN- und ScxAI1-xN-Schichten demonstriert. Dabei wird zunächst auf die Anwendung
als sensorische Schicht im selbst-aktuierten Betrieb eingegangen und der Einfluss der
höheren piezoelektrischen Koeffizienten von ScxAI1-xN untersucht. Im letzten Teil erfolgt
die Evaluierung der Schichtsysteme für Energy Harvesting Anwendungen. ln beiden
Anwendungsfällen führt der Einsatz von ScxA/1-xN zu einer deutlichen Steigerung der
Effizienz der Bauteile.

Bauelemente der Mikrosystemtechnik (MEMS) basieren zunehmend auf
piezoelektrischen Dünnfilmen und sind aus diesem Grund Gegenstand intensiver
Forschungsanstrengungen. Vorteile bei der Verwendung von piezoelektrischen
Aluminium Nitrid (AIN) Dünnfilmen sind die Kompatibilität zu etablierten komplementären
Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Prozessen, die geringe Perrnittivität sowie eine hohe
Temperaturstabilität. Die piezoelektrischen Koeffizienten von AIN-Dünnfilmen sind
dagegen von moderater Größe.
Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von AIN-Schichten, deren
piezoelektrische Eigenschaften durch Übergangsmetalldotierung verbessert werden. Zu
Beginn wird die Herstellung von wurtziten ScxAI1-xN-Schichten demonstriert und für hohe
Konzentrationen (x = 27%) hinsichtlich piezoelektrischer Eigenschaften und Qualität der
Mikrostruktur optimiert, um ihre Anwendung in piezoelektrischen MEMS Bauelementen zu
ermöglichen. Zur präzisen und simultanen Messung der piezoelektrischen Koeffizienten
d33 und d31 mit einer indirekten Messmethode werden gezielt neue Elektroden designet,
die die Genauigkeit erhöhen und die Substratkrümmung reduzieren. Zusätzlich wird das
Potential alternativer Dotierelernente zur Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten
anhand der YxAI1-xN und CrxAI1-xN Materialsysteme untersucht. Speziell für das
YxAI1-xN System zeigt die erstmals durchgeführte systematische Studie auf Basis von
ab initio Berechnungen ein sehr großes Potential zur Steigerung der piezoelektrischen
Koeffizienten.
Anschließend wird die Herstellung von piezoelektrischen Cantilevem auf Basis von
AIN- und ScxAI1-xN-Schichten demonstriert. Dabei wird zunächst auf die Anwendung
als sensorische Schicht im selbst-aktuierten Betrieb eingegangen und der Einfluss der
höheren piezoelektrischen Koeffizienten von ScxAI1-xN untersucht. Im letzten Teil erfolgt
die Evaluierung der Schichtsysteme für Energy Harvesting Anwendungen. ln beiden
Anwendungsfällen führt der Einsatz von ScxA/1-xN zu einer deutlichen Steigerung der
Effizienz der Bauteile.