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    <completedYear>2014</completedYear>
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    <type>doctoralthesis</type>
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    <completedDate>2014-11-17</completedDate>
    <publishedDate>--</publishedDate>
    <thesisDateAccepted>2014-11-05</thesisDateAccepted>
    <title language="deu">Entwicklung CMOS kompatibler Oberflächenwellenfilter (SAW) basierend auf Aluminiumnitrid für die Biosensorik und drahtlose Datenkommunikation</title>
    <title language="eng">Development of CMOS compatible surface acoustic wave (SAW) filters based on aluminium nitride for biosensors and wireless data communication</title>
    <abstract language="deu">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 (&lt;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.&#13;
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.&#13;
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 maximum, FWHM: 1,27° - 1,9°) c-achsenorientiert aufgewachsen werden kann. Umfangreiche Simulationen, die mit Hilfe der finiten Element Methode (FEM) durchgeführt wurden, zeigten akustische Wellen (Rayleighwelle R0 und an der Oberfläche geführte Volumenwelle R1) mit Geschwindigkeiten von circa 4200 m/s (R0) bzw. 5200 m/s (R1) im technisch relevanten Frequenzbereich (~2,4GHz). Es wurde festgestellt, dass die akustische Reflektivität von Wolfram basierten Fingerelektroden circa ein bis zwei Größenordnungen höher liegt als bei Aluminium basierten Elektroden. Hergestellte SAW Filter zeigten maximale Resonanzfrequenzen von 3,3 GHz bei einer Wellenlänge von 1,68 µm, diese können noch auf bis zu 6,6 GHz bei einer minimalen Wellenlänge von 0,8 µm gesteigert werden. In dieser Arbeit konnte erstmals ein elektromagnetisches Übersprechen (Crosstalk) von unter -65 dB auf standardmäßig niederohmigen Siliziumsubstraten gezeigt werden. Erste optimierte SAW Filteranwendungen zeigten typische Frequenzantworten mit guter Performance.</abstract>
    <abstract language="eng">Introduction: Surface acoustic wave filters (SAW filter) are widely distributed in wireless and wired communication technologies as well as in sensor technology. The trend leads to still cheaper and more compact solutions with more functionality and even lower power consumption. The applications extend from ultra-energy-efficient communication systems (e. g. for sensor nodes) to less expensive multi-sensor arrays in sensors (e. g. biosensors) as well as microfluidic systems integrated on a chip (such as microliters pumps). One solution is the integration of SAW filters on a single chip with integrated circuit (IC) in the so-called complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. Since this is about a new area of research and only a few research groups are working on this area it is necessary to perform extensive scientific studies in order to allow a complete integration of SAW filters. The only cleanroom compatible piezoelectric material with a sufficient electromechanical coupling coefficient (K2) as well as high acoustic velocity (vAlN = 6000 m/s [Bu 2006]) for high working frequencies (up to ~6 GHz) is aluminum nitride (AlN). For this reason it must be grown highly c-axes oriented (&lt;2%). A major problem in the integration is the electromagnetic crosstalk which occurs particularly on low resistive silicon substrates (~10 Ωm) which are necessary for the CMOS technology.&#13;
Aim: This thesis examines the possibility to integrate AlN-based SAW filters using discrete components, built with CMOS compatible layer systems, for a subsequently full CMOS compatible integration.&#13;
Results: It was shown that AlN-based filters can be produced using only CMOS compatible materials and process steps. It was shown that AlN could be grown highly c-axes oriented (1.27° - 1.9°). Extensive simulations using the finite element method (FEM) have been carried out on acoustic waves (Rayleigh wave R0 and guided bulk wave R1) at speeds of about 4200 m / s (R0) and 5200 m / s (R1) in the technical relevant region (~ 2.4 GHz). It was found that the acoustic reflectivity of tungsten-based electrode fingers is around one to two orders of magnitude higher than that of aluminium-based electrodes. Produced SAW filters exhibited a maximum resonant frequency of 3.3 GHz at a wavelength of 1.68 µm; it can be increased up to 6.6 GHz with a minimum wavelength of 0.8 µm. In this work, an electromagnetic crosstalk (crosstalk) of less than -65 dB was presented the first time, is shown on standard low-silicon substrates. First optimized SAW filter applications showed typical frequency responses with good performance.</abstract>
    <identifier type="urn">urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31993</identifier>
    <licence>Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.</licence>
    <author>Udo Christian Kaletta</author>
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      <value>Surface acoustic wave</value>
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      <value>SAW Filter</value>
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      <value>CMOS</value>
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    <thesisPublisher>BTU  Cottbus - Senftenberg</thesisPublisher>
    <thesisGrantor>BTU Cottbus - Senftenberg</thesisGrantor>
    <file>https://opus4.kobv.de/opus4-btu/files/3199/Doktorarbeit_Udo_Kaletta.pdf</file>
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