Surface acoustic wave (saw) devices on scaln thin films

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 (K2) 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 (K_eff^2) de los dispositivos. Estos valores para los modos Rayleigh y Sezawa aumentan en un 650 % y en un 150% respectivamente, los valores K_eff^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