Entwicklung CMOS kompatibler Oberflächenwellenfilter (SAW) basierend auf Aluminiumnitrid für die Biosensorik und drahtlose Datenkommunikation ; Development of CMOS compatible surface acoustic wave (SAW) filters based on aluminium nitride for biosensors and wireless data communication

Einleitung: Akustische Oberflächenwellenfilter (SAW Filter) finden in zahlreichen drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationstechnologien sowie in der Sensorik ihren Einsatz. Dabei führt der Trend hin zu immer preiswerteren und kompakteren Lösungen mit noch mehr Funktionalität und noch geringeren Stromverbräuchen. Die Anwendungen erstrecken sich dabei von ultraenergiesparenden Kommunikationssystemen (z. B. für Sensorknoten) bis hin zu preiswerteren Multisensorarrays in der Sensorik (z. B. Biosensoren) sowie auf einem Chip integrierten Mikrofluidik Systemen (z. B. Mikroliterpumpen). Eine Lösung stellt die Integration der SAW Filter auf einem Chip zusammen mit integrierten Schaltkreisen (IC) in der sogenannten komplementären-Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie dar. Da es sich hierbei um ein neues Forschungsgebiet handelt und nur wenige Forschergruppen auf diesem Gebiet arbeiten sind umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen notwendig, um eine vollständige Integration der SAW Filter zu ermöglichen. Das einzige reinraumkompatible piezoelektrische Material mit einem ausreichend hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor (K2) sowie einer hohen akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit (vAlN = 5760 m/s [Bu 2006]) für hohe Arbeitsfrequenzen (bis ~6 GHz) ist dabei Aluminiumnitrid (AlN). Dafür muss es hoch c-achsenorientiert (<2°) aufgewachsen werden. Ein großes Problem bei der Integration ist das elektromagnetische Übersprechen (Crosstalk), welches besonders auf den für die CMOS Technologie notwendigen niederohmigen Siliziumsubstraten auftritt. Ziel: Diese Doktorarbeit untersucht die Möglichkeit der Integration von AlN basierten SAW Filtern mit Hilfe von diskreten Bauelementen, aufgebaut mit CMOS kompatiblen Schichtsystemen, in Hinblick auf eine spätere CMOS kompatible Vollintegration. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass AlN basierte Filter mit Hilfe von CMOS kompatiblen Materialien und Prozessschritten hergestellt werden können. Außerdem konnte gezeigt werde, dass AlN sehr gut (full width at half ...