DE102018132904B4 - Piezoelektrisches Material und piezoelektrische Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Piezoelektrisches Material, das Folgendes aufweist:Al1-x[(Caa, RUb, Z1c1,Z2c2)y]xN als seinen Hauptbestandteil,wobei gilt:0,055≤a≤1,33,0,055≤b≤1,33,0≤c1,0≤c2,0≤c=c1+c2≤1,33,y=1/(a+b+c),0,03≤x≤0,75,undZi und Z2 sind aus B und Y ausgewählt.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Material und auf piezoelektrische Vorrichtungen, die das piezoelektrische Material umfassen.
• Piezoelektrische Materialien können - aufgrund ihres piezoelektrischen Effekts - genutzt werden, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und mechanische Energie als Reaktion auf eine angelegte elektrische Anregung umzuwandeln. Piezoelektrische Materialien können in einer breiten Vielfalt von Vorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel können elektroakustische HF-Vorrichtungen, die elektroakustische Resonatoren umfassen, Resonanzstrukturen umfassen, wobei Elektrodenstrukturen und ein piezoelektrisches Material kombiniert sind. Die Leistungsfähigkeit von piezoelektrischen Materialien wird durch Sätze von elastischen, dielektrischen und piezoelektrischen Parametern bestimmt. Elastische Parameter sind zum Beispiel der Elastizitätsmodul, C₃₃ (eine Komponente des Steifigkeitstensors des Materials), Gitterdichte und dergleichen. Der elektromechanische Kopplungseffekt, K², der ein anderer wichtiger Parameter ist, der die Effizienz einer Anregung akustischer Wellen bestimmt, bildet eine Brücke zwischen mechanischer und elektrischer Leistungsfähigkeit. Ein anderer Parameter ist die piezoelektrische Konstante, e₃₃, eine Komponente des piezoelektrischen Tensors des Materials. Andere sind die longitudinale Steifigkeit, c33, und die dielektrische Permittivität, ∈₃₃.
• Zum Beispiel wird es für elektroakustische Anwendungen bevorzugt, dass das piezoelektrische Material einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, K², aufweist. Ein bekanntes piezoelektrisches Material ist das Wurtzit-Typ-AlN (Aluminiumnitrid), das in elektroakustischen Resonatoren, z. B. in BAW-Resonatoren (BAW: Bulk Acoustic Wave - akustische Volumenwelle), verwendet werden kann. BAW-Resonatoren weisen eine untere Elektrode, eine obere Elektrode oberhalb der unteren Elektrode und das piezoelektrische Material, das zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode sandwichartig dazwischenliegt, auf. Es wird bevorzugt, dass das piezoelektrische Material von BAW-Resonatoren über eine Dünnfilmabscheidungstechnik bereitgestellt wird.
• Ein weiteres bekanntes piezoelektrisches Material ist Sc-dotiertes AlN (Scandium-dotierts AlN). Sc-dotiertes AlN weist das Potential auf, einen höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K² als reines Aluminiumnitrid bereitzustellen.
• Jedoch existiert der Wunsch nach alterativen Materialien, die zur Verwendung in piezoelektrischen Vorrichtungen geeignet sind. Ferner wurde herausgefunden, dass eine Sc-Dotierung entsprechende mechanische Eigenschaften einer Vorrichtung aufgrund einer AlScN-Gitter-Erweichung verschlechtern kann, die sich in der gleichzeitigen Reduzierung des Longitudinalsteifigkeitskoeffizienten, C₃₃, manifestiert, d. h. ohne, dass diese Leistungsfähigkeitsparameter einen Ausgleichseffekt aufweisen.
• Was gewünscht ist, ist ein piezoelektrisches Material, das in einer breiten Vielfalt von piezoelektrischen Vorrichtungen verwendet werden kann, das verbesserte piezoelektrische Eigenschaften aufweist, insbesondere einen erhöhten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, K²,und das gute mechanische Eigenschaften aufweist, insbesondere einen hohen Longitudinalsteifigkeitskoeffizienten, C₃₃.
• Zu diesem Zweck sind ein piezoelektrisches Material gemäß dem unabhängigen Anspruch und eine piezoelektrische Vorrichtung bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit.
• Im Folgenden sind Zusammensetzungen für piezoelektrische Materialien bereitgestellt. Das Toleranzniveau für die Mengen der Atome, bei denen die Zusammensetzungen als äquivalent betrachtet werden können, können ±1 Atom-% oder ± 2 Atom-% sein.
• Das piezoelektrische Material umfasst als seinen Hauptbestandteil (-verbindung) eine Strukturformel Al₁-_x[(Ca_a, RU_b, Z1_c1, Z2_c2)_y] _xN, wobei ein a-Stoffmengenanteil größer als oder gleich 0,055 und kleiner als oder gleich 1,33 ist. Ein b-Stoffmengenanteil ist größer als oder gleich 0,055 und kleiner als oder gleich 1,33.
• c1 ist größer als oder gleich 0. c2 ist größer als oder gleich 0. Die Summe c = c1 + c2 ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 1,33. y ist der Kehrwert der Summe von a, b und c: y=1/(a+b+c). x ist größer als oder gleich 0,03 und kleiner als oder gleich 0,75. Z1 und Z2 sind aus B (Bor) und Y (Yttrium) ausgewählt.
• Dementsprechend umfasst das piezoelektrische Material Al (Aluminium), Ca (Calcium), Ru (Ruthenium) und N (Stickstoff).
• Fern kann das Material Y (Yttrium) umfassen. Ferner kann das Material B (Bor) umfassen. Ferner kann das Material Y und B umfassen.
• Ca, Ru - und falls vorhanden Y und/oder B - bilden Dotierungsstoffe, die Al ersetzten können. Der Wert von y ist so gewählt, dass die Dotierungsstoffe als eine Gruppe betrachtet werden können, wobei jedes Atom der Dotierungsstoffgruppe Al in dem Wurtzit-Gitter von Al_1-x[(Ca_a, RU_b, Z1_c1, Z2_c2) _y] _xN fraktionell substituieren kann. Dann bezeichnet x das Gesamtdotierungs- oder Ersetzungsniveau von Al-Atomen.
• Es wurde herausgefunden, dass ein solches piezoelektrisches Material gute piezoelektrische Eigenschaften aufweist, wie etwa einen guten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, K². Ferner kann das piezoelektrische Material mit dem Hauptbestandteil wie oben beschrieben auch eine höhere Steifigkeit aufweisen, insbesondere einen höheren Steifigkeitsparameter C₃₃ im Vergleich zu reinem AlN oder Sc-dotiertem AlN, bei vergleichbaren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K².
• Ferner wurde herausgefunden, dass das piezoelektrische Material wie oben beschrieben piezoelektrische Resonatoren mit einem erhöhten Gütefaktor, Q, im Vergleich zu elektroakustischen Resonatoren basierend auf reinem AlN oder Sc-dotiertem AlN ermöglicht. Folglich sind entsprechende HF-Filter oder andere piezoelektrische Komponenten mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit möglich.
• Es ist möglich, dass das piezoelektrische Material Al_1-x[(Ca_a, Y_b, Z_c)_y] _xN als seinen Hauptbestandteil (-verbindung) aufweist. Z ist aus B und Y ausgewählt.
• Dementsprechend bestehen die Dotierungsstoffe aus Ca, Ru und B oder Ca, Ru und Y.
• Es ist möglich, dass das Material Al_1-x[ (Ca_a, RU_b, Z1_c1, Z2_c2) _y] _xN als seinen Hauptbestandteil (-verbindung) aufweist. Z1 und Z2 sind aus B und Y oder nur B oder nur Y ausgewählt. Es gilt: 0,165 ≤ a ≤ 0,66; 0,165 ≤ b ≤ 0,66; 0 ≤ c1; 0 ≤ c2; 0 ≤ c = c1+c2 ≤ 0,66; y=1/(a+b+c) und 0,09 ≤ x ≤ 0,372.
• Es ist möglich, dass das Dotierungsniveau aus 0,03, 0,06, 0,09, 0,12, 0,15, 0,18, 0,21, 0,24, 0,27, 0,30, 0,33, 0,36, 0,39, 0,42, 0,45, 0,48, 0,51, 0,54, 0,57, 0, 60, 0, 63, 0, 66, 0,69, 0,72 und 0,75 ausgewählt ist.
• Es ist möglich, dass der Hauptbestandteil (-verbindung) Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N ist. Bei dieser Dotierungskombination bestehen die Dotierungsstoffe aus Ca, Ru und B.
• Außerdem ist es möglich, dass der Hauptbestandteil (-verbindung) Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.124N ist. Bei dieser Dotierungskombination bestehen die Dotierungsstoffe aus Ca, Ru und B.
• Außerdem ist es möglich, dass der Hauptbestandteil (-verbindung) Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.124Nist. Bei dieser Dotierungskombination bestehen die Dotierungsstoffe aus Ca, Ru und B.
• Außerdem ist es möglich, dass der Hauptbestandteil (-verbindung) Al_0.69Ca_0.124Ru_0.124B_0.062N ist. Bei dieser Dotierungskombination bestehen die Dotierungsstoffe aus Ca, Ru und B.
• Außerdem ist es möglich, dass der Hauptbestandteil (-verbindung) Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062Y_0.062N ist. Bei dieser Dotierungskombination bestehen die Dotierungsstoffe aus Ca, Ru und Y.
• Außerdem ist es möglich, dass der Hauptbestandteil (-verbindung) Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062N ist. Bei dieser Dotierungskombination bestehen die Dotierungsstoffe aus Ca und Ru. Die Dotierungsstoffe umfassen weder Y noch B.
• Es ist möglich, dass die wenigstens 44,2 (Atom-%), 53,5 (Atom-%), 62,77 (Atom-%), 72,1 (Atom-%), 81,4 (Atom-%), 90,7 (Atom-%), 95,78 (Atom-%), 98,25(Atom-%) oder 99(Atom-%) Al sind, während die verbleibende Bilanz eine Kombination aus einem ternären oder quaternären dotierten piezoelektrischen AlN-Material ist, das Ca (Calcium), Ru (Ruthenium), B (Bor) und Y (Yttrium) enthält.
• Die obigen Zusammensetzungen aus quaternären oder quinären Nitriden stellen gute elektromechanische Eigenschaften und gute mechanische Eigenschaften bereit, die in den folgenden Tabellen (Tabelle 1 und Tabelle 2) gezeigt sind. Die Ab-initio-Eigenschaften werden aus Dichtefunktionalstörungstheorieberechnungen abgeleitet. Vergleiche zwischen Berechnungen und Experimenten rechtfertigen, dass die bereitgestellten berechneten Werte als nahe den erwarteten Experimenten betrachtet werden können, da eine ausreichende Anzahl an Quasizufallsstrukturen (SQS)und statistischen Medianwerten für jedes Zusammensetzungsbeispiel erhalten wurde. Tabelle 1

  Nitridverbindungszusammensetzung	C33 [GPa]	Voigt-Elastizitätsmodul E [GPa]	e33 [C/m2]	Gitterdichte [g/cm3]
  Referenz: AIN	356,8	299,55	1,4638	3,203
  A) AI0,814Ca0,062Ru0,062B0,062N	270,4	225,6	2,419	3,441
  Referenz: Al0,6875Sc0,3125N	213,3	205,66	2,0455	3,289
  B) Al0,876Ca0,062Ru0,062B0,124N	274,7	233,7	2,207	3,527
  Referenz: Al0,8125Sc0,1875N	260,7	228,57	1,838	3,257
  D) Al0,69Ca0,124Ru0,124B0,062N	236,5	203,7	2,569	3,746
  E) AI0,814Ca0,062Ru0,062Y0,062N	232,0	197,95	2,4145	3,617
  F) AI0,876Ca0,062Ru0,062N	277,4	240,64	1,762	3,459

  Tabelle 2

  Nitridverbindungszusammensetzung	k2= e33 2/(C33ε33ε0) [%]	Dielektrische Permittivität ε33	Piezoelkektrischer Koeffizient d33(pC/N)	Versteifungslongitudinalgeschwindigkeit [m/s]
  Referenz: AIN	7,02	9,763	5,31	10864
  A) Al0,814Ca0,062Ru0,062B0,062N	17,95	13,613	12,44	9627,6
  Referenz: Al0,6875Sc0,3125N	17,97	12,33	18,71	8754,7
  B) Al0,876Ca0,062Ru0,062B0,124N	13,91	14,4	11,26	9419,3
  Referenz: Al0,8125Sc0,1875N	12,89	11,36	11,516	9504,4
  D) Al0,69Ca0,124Ru0,124B0,062N	18,94	16,64	17,50	8664,7
  E) Al0,814Ca0,062Ru0,062Y0,062N	17,89	15,865	17,99	8666,3
  F) Al0,876Ca0,062Ru0,062N	10,0	12,63	8,75	9379,0

• Restbestandteile können andere Atome umfassen, die aufgrund notwendiger Herstellungsschritte und dergleichen unvermeidlich sein können.
• Es ist möglich, dass eine piezoelektrische Vorrichtung ein Material wie oben beschrieben umfasst.
• Eine solche Vorrichtung kann aus Folgendem ausgewählt werden:
• - ein elektroakustischer Resonator, ein SAW-Resonator, ein SAW-Filter, ein fest montierter Resonator (SMR(Solidly Mounted Resonator)-Typ-Resonator), ein (SMR-) BAW-Filter, ein Geleitete-BAW(GBAW)-Resonator, ein GBAW-Filter, ein Film-Akustische-Volumenwelle(FBAR: Film Bulk Acoustic Wave)-Resonator, ein FBAR-Filter, oder
• - ein Resonator, der mit Lamb-Wellen, akustischen Plattenwellen (APW: Acoustic Plate Waves), Rayleigh-SAW (R-SAW), Sezawa-Mode-Wellen, horizontalen Scher-SAWs (SH-SAWs), Love-Mode-Wellen, akustischen Pseudoberflächenwellen (PSAW: Pseudo-Surface Acoustiv Waves) oder leckenden SAWs (LSAW: Leaky SAWs) arbeitet oder
• - eine akustische Vorrichtung, ein Multiplexer, ein Duplexer, ein Quadplexer, ein Hexaplexer basierend auf einem beliebigen der obigen Typen von Resonatoren, ein piezoelektrischer Generator, ein piezoelektrischer Sensor, ein Massensensor, ein mikrofluidischer Sensor, ein piezoelektrischer Wandler, ein Energie-Harvester, eine Ultraschallvorrichtung, ein Wandler, ein Sender, ein Piezo(MEMS)-Mikrofon, eine Vorrichtung, die einen direkten oder umgekehrten piezoelektrischen Effekt in einer Dünnfilm- oder Volumenkeramikform verwendet.
• Ein SAW-Filter ist ein HF-Filter, das wenigstens einen SAW-Resonator aufweist. Ein SAW-Resonator weist ein piezoelektrisches Material und fingerartig verschränkte Elektrodenstrukturen, die nebeneinander auf dem piezoelektrischen Material angeordnete Elektrodenfinger aufweisen, auf. Jeder Elektrodenfinger ist elektrisch mit einer von zwei Sammelschienen verbunden. Wenn ein HF-Signal an die Sammelschienen angelegt wird, dann wandelt die Elektrodenstruktur - aufgrund des piezoelektrischen Effekts - zwischen HF-Signalen und akustischen Wellen. Die Wellenlänge der akustischen Welle wird im Wesentlichen durch den Abstand zwischen angrenzenden Elektrodenfingern der gleichen Polarität bestimmt. Eine Oberflächenwelle, die an der Oberfläche des piezoelektrischen Materials propagiert, wird erzeugt. Die Frequenz hängt von der Wellenlänge und der Wellengeschwindigkeit ab. Eine Nutzung solcher Resonatoren, z. B. als Reihenresonatoren oder Parallelresonatoren in einer Abzweigtypstruktur oder als Resonatoren in einer Kreuzgliedtypstruktur, ermöglicht es, ein Bandpassfilter oder ein Bandsperrfilter zu erschaffen, z. B. für Drahtloskommunikationsvorrichtungen.
• In einem BAW-Resonator liegt das piezoelektrischen Material sandwichartig zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode dazwischen. Während die akustischen Wellen in einem SAW-Resonator in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des piezoelektrischen Materials propagieren, propagieren die akustischen Wellen in einem BAW-Resonator in einer vertikalen Richtung. Um akustische Energie in der Resonatorstruktur einzugrenzen, muss die Resonatorstruktur akustisch von ihrer Umgebung entkoppelt werden. Entsprechend ist es möglich, dass der BAW-Resonator ein SMR-Typ-Resonator (SMR: Solidly Mounted Resonator - fest montierter Resonator) oder ein FBAR-Typ-Resonator (FBAR: Film Bulk Acoustic Wave Resonator - Akustische-Volumenwelle-Filmresonator) ist. In einem SMR-Typ-Resonator ist die Resonatorstruktur auf einem akustischen Spiegel montiert, der aus zwei oder mehr Schichten mit hoher und niedriger akustischer Impedanz besteht, so dass er als ein akustischer Bragg-Spiegel zum Eingrenzen der akustischen Energie fungiert. In einem FBAR-Typ-Resonator kann die untere Elektrode oberhalb eines Hohlraums angeordnet sein, um die Resonatorstruktur akustisch zu isolieren.
• In einem GBAW-Filter sind die Elektrodenstrukturen jenen eines Resonators in einem SAW-Filter ähnlich. Jedoch propagieren die akustischen Wellen in einer Longitudinalrichtung an einer Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Material und einer Deckschicht, so dass eine Wellenleitungsstruktur erhalten wird.
• Bandpassfilter können - möglicherweise mit zusätzlichen Impedanzanpassungsschaltkreisen - kombiniert werden, um einen Multiplexer herzustellen. Zum Beispiel sind in einem Duplexer ein Übertragungsfilter und ein Empfangsfilter so kombiniert, das zu sendende HF-Signale und zu empfangende HF-Signale einen gemeinsamen Antennenport teilen können, aber in separaten Signalpfaden, in einem Übertragungssignalpfad bzw. in einem Empfangssignalpfad, propagieren. Entsprechend umfasst ein Multiplexer eines höheren Grades, z. B. ein Quadplexer, zusätzliche Bandpassfilter und zusätzliche Signalpfade.
• In einem Energie-Harvester kann das piezoelektrische Material genutzt werden, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, z. B. um eine Batterie oder einen Kondensator mit mechanischer Energie zu laden, die aus der Umgebung der jeweiligen Vorrichtung erhalten wird.
• Dementsprechend ist ein verbessertes piezoelektrisches Material bereitgestellt, das verbesserte piezoelektrische Vorrichtungen, insbesondere Resonatorvorrichtungen mit einem verbesserten Gütefaktor, ermöglicht.
• Die piezoelektrischen Vorrichtungen sind nicht auf die oben angegebenen Vorrichtungen beschränkt. Weitere Vorrichtungen sind ebenfalls möglich.
• In den Figuren gilt:
• 1 veranschaulicht die Anordnung einer Interdigitalstruktur eines SAW-Resonators;
• 2 veranschaulicht die Anordnung eines SMR-Typ-BAW-Resonators;
• 3 veranschaulicht die Kombination von elektroakustischen Resonatoren, um einen Duplexer herzustellen;
• 4 zeigt Vergleiche zwischen berechneten Werten des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, K², und gemessenen Werten von tatsächlichen SMR-BAW-Resonatoren mit piezoelektrischen Schichten, die mit unterschiedlichen Dotierungsniveaus von Sc in AlN gefertigt sind;
• 5 zeigt einen Vergleich zwischen einem extrapolierten mechanischen Gütefaktor (Q_m) für von einem SMR-BAW gemessene und aus Ab-initio-Berechnungen erhaltene Werte und sie zeigt, wie schnell sich Q_m mit unterschiedlichen Dotierungsniveaus von Sc in AlN ändert;
• 6 zeigt die Abhängigkeit eines Verhaltens von C₃₃ vs Kopplungskoeffizient K² für ein alternatives Al_1-xSc_xN-Material (0,0625≤x≤0,31) mit einem höheren C₃₃ für einen Bereich von Kopplungskoeffizienten K²;
• 7 zeigt die Abhängigkeit eines Verhaltens von C₃₃ vs Kopplungskoeffizient K² für ein alternatives Al_1-xSc_xN-Material (0,0625≤x≤0,31) mit einem mäßig höheren C₃₃ für einen Bereich von Kopplungskoeffizienten K²;
• 8 zeigt eine C₃₃-K²-Abhängigkeit;
• 9 zeigt die Abhängigkeit eines Verhaltens von C₃₃ vs Kopplungskoeffizient K² für ein alternatives Al_1-xSc_xN-Material (0,0625≤x≤0,31) mit einem im Wesentlichen äquivalenten C₃₃ für einen Bereich von Kopplungskoeffizienten K².
• 1 veranschaulicht eine grundlegende Anordnung von Elektrodenstrukturen auf einem piezoelektrischen Material PM, das als einkristallines piezoelektrisches Substrat oder durch ein piezoelektrisches Material bereitgestellt werden kann, das als eine dünne Schicht bereitgestellt ist. Die Elektrodenstruktur weist eine fingerartig verschränkte Struktur, IDS, auf, die Elektrodenfinger, EFI, umfasst, die nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Elektrodenfinger, EFI, ist elektrisch mit einer von zwei Sammelschienen verbunden. Bei der in 3 gezeigten Anordnung propagieren die akustischen Wellen an der Oberfläche des piezoelektrischen Materials in einer Richtung orthogonal zu den Elektrodenfingern.
• 2 veranschaulicht die grundlegende Konstruktion eines BAW-Resonators BAWR. Der BAW-Resonator BAWR weist das piezoelektrische Material, PM, auf, das sandwichartig zwischen einer unteren Elektrode, BE, und einer oberen Elektrode, TE, dazwischenliegt. 4 veranschaulicht auch einen SMR-Typ-Resonator, wobei die Resonatorstruktur, die zwei Elektroden und das piezoelektrische Material umfasst, auf einem akustischen Spiegel angeordnet ist. Der akustische Spiegel weist Spiegelschichten, ML, auf. Angrenzende Spiegelschichten, ML, weisen eine unterschiedliche akustische Impedanz auf. An einer Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Spiegelschichten, ML, mit unterschiedlicher akustischer Impedanz wird ein Teil der akustischen Energie reflektiert, so dass die Kombination aus Spiegelschichten, ML, einen Bragg-Spiegel zum Eingrenzen der akustischen Energie erzeugt.
• 3 veranschaulicht die Möglichkeit des Kombinierens eines Übertragungsfilters, TXF, und eines Empfangsfilters, RXF, um einen Duplexer zu erzeugen. Das Übertragungsfilter, TXF, und das Empfangsfilter, RXF, umfassen einen Signalpfad, in dem Reihenresonatoren, SR, elektrisch in Reihe verbunden sind. Parallelresonatoren, PR, sind elektrisch in Shunt-Pfaden zwischen dem Signalpfad und Masse verbunden. Ein Impedanzanpassungsschaltkreis kann zwischen dem Übertragungsfilter, TXF, und dem Empfangsfilter, RXF, angeordnet sein, um angepasste frequenzabhängige Impedanzen an dem gemeinsamen Port bereitzustellen, an dem eine Antenne, AN, verbunden werden kann.
• 4 zeigt einen Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Daten. Kurve (1) zeigt die (experimentell) gemessene Abhängigkeit des Kopplungsfaktors, K², von dem Sc-Dotierungsniveau von Sc-dotiertem AlN (Al_1-xSc_xN) für unterschiedliche Dotierungsniveaus, x. Kurve (2) zeigt die Ergebnisse von Berechnungen, die in einer Simulation zum Bestimmen eines theoretischen Modells von Sc-dotiertem AlN erfolgten. Es kann gesehen werden, dass die Experimente im Wesentlichen die berechneten Ab-initio-Ergebnisse bestätigen.
• Gleichermaßen zeigt 5 einen Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Daten. Kurve (3) zeigt die gemessene Abhängigkeit des mechanischen Gütefaktors, Qm, abgeleitet von der Impedanzantwort von physischen (experimentell gefertigten) Resonatoren bei dem SC-Dotierungsniveau von Sc-dotiertem AlN (Al_1-xSc_xN). Kurve (4) zeigt die Ergebnisse von Berechnungen, die in der Simulation erfolgten. Wieder bestätigen die experimentell abgeleiteten Werte im Wesentlichen die berechneten Ergebnisse.
• Dementsprechend sind die Berechnungen, auf denen die vorliegenden Zusammensetzungen basieren, zuverlässig.
• 6 zeigt einen Vergleich zwischen mehreren Parametern von Sc-dotiertem AlN und Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N (der Zusammensetzung A der Tabellen entsprechend). Das Sc-Dotierungsniveau für die unterschiedliche Sc-dotierte AlN-Zusammensetzung bestimmt C₃₃ im Wesentlichen, wie durch Kurve (5) gezeigt ist. Kurve (6) zeigt eine Polynominterpolation von berechneten Datenpunkten, die eine C₃₃-Abhängigkeit von K² für unterschiedliche Quasizufallsstrukturen von Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N angibt. Die unterschiedlichen Quasizufallsstrukturen von Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N unterscheiden sich hinsichtlich einer genauen Position jedes Dotierungsstoffs, der die Al-Atome ersetzt. Die Berechnungen zeigen, dass in einer realen Zusammensetzung eine Mischung dieser Quasizufallsstrukturen bereitgestellt ist, so dass ein K² von näherungsweise 0,18 und ein C₃₃ von 270,4 GPa erhalten werden. Dementsprechend weist Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N ein C₃₃ auf, das näherungsweise 65,3 GPa größer als jenes von einem SC-dotierten AlN-Baseline-System mit sehr ähnlichen K² (nahe bei 0,20) ist, während der Medianwert von Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N ein C₃₃ aufweist, das näherungsweise 42,3 GPa größer als jenes eines Sc-dotierten AlN-Baseline-Systems mit sehr ähnlichem K² (nahe bei 0,15) ist.
• 7 zeigt einen Vergleich zwischen mehreren Parametern von Sc-dotiertem AlN und Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N)_0.124N (der Zusammensetzung B) der Tabellen entsprechend). Das Sc-Dotierungsniveau für die unterschiedliche Sc-dotierte AlN-Zusammensetzung bestimmt C₃₃ im Wesentlichen, wie durch Kurve (7) gezeigt ist. Kurve (8) zeigt eine Polynominterpolation von berechneten Datenpunkten, die eine C₃₃-Abhängigkeit von K² für unterschiedliche Quasizufallsstrukturen von Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.124N angibt. Die unterschiedlichen Quasizufallsstrukturen von Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.124N unterscheiden sich hinsichtlich einer genauen Position jedes Dotierungsstoffs, der die Al-Atome ersetzt. Die Berechnungen zeigen, dass in einer realen Zusammensetzung eine Mischung dieser Quasizufallsstrukturen bereitgestellt ist, so dass ein K² von näherungsweise 0,139 und ein C₃₃ von 274,2 GPa erhalten werden. Dementsprechend weist Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.124Nein C₃₃ auf, das näherungsweise 14 GPa mit sehr ähnlichem K² (nahe bei 0,13) ist.
• 8 zeigt berechnete Parameter für dotiertes AlN.
• 9 zeigt einen Vergleich zwischen mehreren Parametern von Sc-dotiertem AlN und Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N (der Zusammensetzung E) der Tabellen entsprechend). Das Sc-Dotierungsniveau für die unterschiedliche Sc-dotierte AlN-Zusammensetzung bestimmt C₃₃ im Wesentlichen, wie durch Kurve (9) gezeigt ist. Kurve (10) zeigt eine Polynominterpolation von berechneten Datenpunkten, die eine C₃₃-Abhängigkeit von K² für unterschiedliche Quasizufallsstrukturen von Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N angibt. Die unterschiedlichen Quasizufallsstrukturen von Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.124N unterscheiden sich hinsichtlich einer genauen Position jedes Dotierungsstoffs, der die Al-Atome ersetzt. Die Berechnungen zeigen, dass in einer realen Zusammensetzung eine Mischung dieser Quasizufallsstrukturen bereitgestellt ist, so dass ein K² von näherungsweise 0,179 und ein C₃₃ von 232 GPa erhalten werden. Dementsprechend weist Al_0.876Ca_0.062Ru_0.062B_0.124Nein C₃₃ auf, das näherungsweise 18,8 GPa mit sehr ähnlichem K² (0,18) ist.

Claims (10)

1. Piezoelektrisches Material, das Folgendes aufweist: Al_1-x[(Ca_a, RU_b, Z1_c1,Z2_c2)_y]_xN als seinen Hauptbestandteil, wobei gilt: $$\mathrm{0,055}\le \text{a}\le \mathrm{1,33,}$$

   

   $$\mathrm{0,055}\le \text{b}\le \mathrm{1,33,}$$

   

   $$0\le \text{c}\mathrm{1,}$$

   

   $$0\le \text{c}\mathrm{2,}$$

   

   $$0\le \text{c}=\text{c}1+\text{c}2\le \mathrm{1,33,}$$

   

   $$\text{y}=1\text{/}\left(\text{a}+\text{b}+\text{c}\right),$$

   

   $$\mathrm{0,03}\le \text{x}\le \mathrm{0,75,}$$

   

   und Zi und Z2 sind aus B und Y ausgewählt.
2. Piezoelektrisches Material nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Hauptbestandteil Al_1-x[(Ca_a, Ru_b, Z1_c1, Z2_c2)_y]_xN ist und Z1 und Z2 aus B und Y oder nur B oder nur Y ausgewählt sind, wobei gilt $$\mathrm{0,165}\le \text{a}\le \mathrm{0,66,}$$

   

   $$\mathrm{0,165}\le \text{b}\le \mathrm{0,66,}$$

   

   $$o\le \text{c}\mathrm{1,}$$

   

   $$0\le \text{c}\mathrm{2,}$$

   

   $$0\le \text{c}=\text{c}1+\text{c}2\le \mathrm{0,66,}$$

   

   $$\text{y}=1\text{/}\left(\text{a}+\text{b}+\text{c}\right)$$

   

   und $$\mathrm{0,09}\le \text{x}\le \mathrm{0,372.}$$

   
3. Piezoelektrisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei x aus 0,03, 0,06, 0,09, 0,12, 0,15, 0,18, 0,21, 0,24, 0,27, 0,30, 0,33, 0,36, 0,39, 0,42, 0,45, 0,48, 0,51, 0,54, 0,57, 0,60, 0,63, 0,66, 0,69, 0,72 und 0,75 ausgewählt ist.
4. Piezoelektrisches Material nach Anspruch 1, wobei der Hauptbestandteil Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N ist.
5. Piezoelektrisches Material nach Anspruch 1, wobei der Hauptbestandteil Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062B_0.062N ist.
6. Piezoelektrisches Material nach Anspruch 1, wobei der Hauptbestandteil Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062Y_0.062Nist.
7. Piezoelektrisches Material nach Anspruch 1, wobei der Hauptbestandteil Al_0.814Ca_0.062Ru_0.062Nist.
8. Piezoelektrisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 44,2 (Atom-%), 53,5 (Atom-%), 62,77(Atom-%), 72,1 (Atom-%), 81,4(Atom-%), 90,7(Atom-%), 95,78 (Atom-%), 98,25(Atom-%) oder 99(Atom-%) Al sind, während die verbleibende Bilanz eine Kombination aus einem ternären oder quaternären dotierten piezoelektrischen AlN-Material ist, das Ca (Calcium), Ru (Ruthenium), B (Bor) und Y (Yttrium) enthält.
9. Piezoelektrische Vorrichtung, die ein piezoelektrisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
10. Piezoelektrische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorrichtung aus Folgendem ausgewählt ist: - ein elektroakustischer Resonator, ein SAW-Resonator, ein SAW-Filter, ein fest montierter Resonator (SMR(Solidly Mounted Resonator)-Typ-Resonator), ein (SMR-) BAW-Filter, ein Geleitete-BAW(GBAW)-Resonator, ein GBAW-Filter, ein Film-Akustische-Volumenwelle(FBAR: Film Bulk Acoustic Wave)-Resonator, ein FBAR-Filter, oder - ein Resonator, der mit Lamb-Wellen, akustischen Plattenwellen (APW: Acoustic Plate Waves), Rayleigh-SAW (R-SAW), Sezawa-Mode-Wellen, horizontalen Scher-SAWs (SH-SAWs), Love-Mode-Wellen, akustischen Pseudoberflächenwellen (PSAW: Pseudo-Surface Acoustiv Waves) oder leckenden SAWs (LSAW: Leaky SAWs) arbeitet oder - eine akustische Vorrichtung, ein Multiplexer, ein Duplexer, ein Quadplexer, ein Hexaplexer basierend auf einem beliebigen der obigen Typen von Resonatoren, ein piezoelektrischer Generator, ein piezoelektrischer Sensor, ein Massensensor, ein mikrofluidischer Sensor, ein piezoelektrischer Wandler, ein Energie-Harvester, eine Ultraschallvorrichtung, ein Wandler, ein Sender, ein Piezo(MEMS)-Mikrofon, eine Vorrichtung, die einen direkten oder umgekehrten piezoelektrischen Effekt in einer Dünnfilm- oder Volumenkeramikform verwendet.

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