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Scandiumaluminiumnitrid für Hochfrequenzfilter

Innerhalb kurzer Zeit haben sich unsere Kommunikationssysteme von Einweg-Funksystemen zu mobilen Komplettlösungen weiterentwickelt. Wir können gleichzeitig sprechen und hören, zugleich GPS, Internet, Mobilfunk und Bluetooth nutzen. Das hat auch seinen Preis: Jede Kommunikation benötigt ein eigenes Frequenzband, die beim Nutzer durch einen leistungseffizienten und kompakten Bandpassfilter aus dem Frequenzspektrum des Funknetzes herausgefiltert werden muss. Schon heute befinden sich bis zu 12 Bandpassfilter auf der Basis von Oberflächen- oder Volumen-Wellen-Bauelementen mit piezoelektrischer Anregung in jedem Smart Phone.

Die Fähigkeit piezoelektrischer Materialien, elektrische Ladung in mechanische Vibration und mechanische Bewegung in elektrische Signale umzuwandeln, kommt in elektroakustischen Filtern zum Einsatz. Aufgrund der guten Kompatibilität mit Silizium-Technologien, der hohen thermischen Stabilität und der hohen Schalgleschwindigkeit, dominiert das piezoelektrische Aluminiumnitrid (AlN) die aktiven Schichten in Oberflächen- oder Volumenwellen basierten Frequenzfiltern. Jedoch sind die relativ geringe elektromechanische Kopplung und die niedrigen piezoelektrischen Koeffizienten limitierende Faktoren für zukünftige Anwendungen, bei den zukünftig notwendigen, hohen Betriebsfrequenzen.

Um die nächste Generation von piezoelektrischen Materialien zu entwickeln, wurde das Projekt »COMET« gestartet. Es hat zum Ziel, die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von ScAlN wie die Tensoren der elastischen, piezoelektischen und dielektrischen Koeffizienten für den Entwurf von leistungseffizienten Bandpassfilter für hohe Betriebsfrequenzen von 2 bis 6 GHz zu ermitteln.

Die ausschlaggebende Motivation für dieses Projekt ist eine kürzlich veröffentlichte japanische Publikation, die zeigt, dass ScAlN mit Scandiumkonzentrationen von bis zu 40 % wesentlich höhere piezoelektrische Koeffizienten und eine höhere elektromechanische Kopplung im Vergleich zu AlN besitzt. Aus diesem Grunde haben Hersteller von Volumenwellen- und Oberflächenwellen-Bauelementen ein großes Interesse daran, in der nächsten Generation von Hochfrequenz-Filteranwendungen AlN durch das in »COMET« entwickelte ScAlN zu ersetzen.

Aluminium-Fingerkontakt (Ausschnitt) eines Oberflächenwellen-Bauelements

Aluminium-Fingerkontakt (Ausschnitt) eines Oberflächenwellen-Bauelements