AlGaN/GaN-Schichtsysteme für piezoelektrisch angeregte Resonatoren

Tonisch, Katja

With the increasing requirements for microelectromechanical systems (MEMS) regarding stability, miniaturization and integration, novel materials such as wide band gap semiconductors receive more and more attention. This work is divided into two main parts in order to pave the way for the realization of GaN-based piezoelectric MEMS: in the first main section, the growth of GaN-based heterostructures on three selectively etchable substrates is introduced. In the first case, the MOCVD growth of GaN on 4H-SiC is demonstrated, which has proven its isotropic etchability recently. Second, the epitaxial growth of GaN is introduced on sputtered AlN sacrificial layers, which enables the processing of GaN-based MEMS on sapphire. In the last case, the epitaxial growth of GaN has been developed on silicon using a thin 3C-SiC buffer layer to prevent meltback etching of the substrate. A detailed analysis of the piezoelectric response of (GaN/)AlGaN/GAN heterostructures is reported in the second main section. Thereby, the lower GaN layer represents the mechanically supporting layer, while the AlGaN film, and in some cases an additional GaN cap layer serves as the piezoelectrically active layers for actuation. The 2DEG (at the lower AlGaN/GaN interface) provides the conducting channel which was used as back electrode for the piezoelectric actuation. Electroreflectance spectroscopy is applied to determine the electric field distribution across the whole structure as function of the applied voltage. Piezoelectric force microscopy yields the field (voltage)-dependent actuation of the layers. By correlating these two techniques it was possible to determine the piezoelectric modulus d33 with considerably improved reliability. A value of 5 pm/V was found for AlGaN with 31% Al. The processing of the first GaN-based resonators is presented on all three etchable substrates introduced above. Finally, the resonant behaviour of thus developed and fabricated MEMS resonators is demonstrated for flexural bending via piezoelectric excitation and vibrometer read-out and for longitudinal bending by a purely electrical actuation and read-out scheme.

Auf Grund der gestiegenen Anforderungen für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) hinsichtlich Stabilität, Miniaturisier- und Integrierbarkeit, steigt das Interesse an neuen Materialsystemen wie den Halbleitern großer Bandlücke. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Schwerpunkte, die für die Herstellung GaN-basierter MEMS bewältigt werden mussten: zum Einen wurde das Wachstum auf selektiv zu GaN ätzbaren Substraten untersucht. In der vorliegenden Arbeit werden drei Substrate vorgestellt, welche sowohl das epitaktische Wachstum von GaN als auch das Freistellen der Struktur erlauben. Dazu gehört die Verwendung von 4H-SiC als Substrat, welches sich kürzlich als isotrop ätzbar erwiesen hat. Als zweites wird das epitaktische GaN-Wachstum auf nanokristallinen, gesputterten AlN-Opferschichten gezeigt, welches die MEMS-Herstellung auf Saphir ermöglicht. Im letzten Fall erfolgt das Wachstum auf Siliziumsubstraten mit Hilfe einer 3C-SiC-Zwischenschicht. Die piezoelektrischen Eigenschaften von (GaN/)AlGaN/GaN-Heterostrukturen standen im zweiten Schwerpunkt im Fokus. Dabei dient die AlGaN-Schicht und in einigen Fällen eine zusätzliche GaN-Deckschicht als piezoelektrisch aktive Schicht. Das hochleitfähige 2D Elektronengas (2DEG) an der unteren AlGaN/GaN-Grenzfläche stellt dabei die zur Anregung benötige Rückelektrode zur Verfügung. Mit Hilfe der Elektroreflexion konnte die elektrische Feldverteilung in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung bestimmt werden. In Kombination mit der Piezokraftmikroskopie, bei welcher die spannungsabhängige Auslenkung der Schichten untersucht wurde, konnte das piezoelektrische Modul d33 für Al0.31Ga0.69N zuverlässig mit 5 pm/V bestimmt werden. Die Prozessierung der ersten GaN-basierten MEMS wird schließlich auf allen drei zuvor eingeführten Substraten vorgestellt, das Schwingungsverhalten für die piezoelektrische Anregung von Transversalschwingungen mit Hilfe von Vibrometermessungen sowie das rein elektrische Auslesen von Longitudinalschwingungen (ebenfalls für piezoelektrische Anregung) demonstriert.

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Tonisch, Katja: AlGaN/GaN-Schichtsysteme für piezoelektrisch angeregte Resonatoren. 2010.

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