Gallium nitride thin film bulk acoustic resonators for microwave frequencies

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Sillanpää, Mika
dc.contributor.advisor Pirkkalainen, Juha
dc.contributor.author Kervinen, Mikael
dc.date.accessioned 2016-06-17T12:53:09Z
dc.date.available 2016-06-17T12:53:09Z
dc.date.issued 2016-06-14
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/21049
dc.description.abstract Mechanical resonators are pushing into the quantum limit on mechanical motion detection making them ideal candidates for studying quantum behavior of macroscopic objects. In the quantum regime of measurements, the resonators must have very low losses, i.e. have a high Q factor. In this thesis, gallium nitride (GaN) is studied as a material for high quality resonators for quantum limited measurements. GaN is a wide band-gap semiconductor material with great electromechanical properties that make it excellent candidate for micro-electromechanical systems. The piezoelectric properties of GaN can be used for actuation and sensing of the resonator. The resonator can be excited in a thickness resonance mode where the frequency is defined by the thickness of the structure. This thesis describes the fabrication and microwave characterization of film bulk acoustic resonator (FBAR) structures, fabricated from GaN on Si wafers with an intermediate buffer layer of aluminium nitride. The thickness of the GaN membrane is a 500 nm and the AlN buffer layer is 300 nm thick. The thickness is selected to provide resonance frequency for microwave frequency region around 5 GHz. The eigenfrequencies and mode shapes of the resonators are acquired by numerical simulations based on finite-element method using COMSOL software. Tests of electrode geometry, electrode material, and electromechanical coupling are detailed. Q factors are obtained by means of equivalent circuit parameter extraction. The FBARs display mechanical quality factors of Q ~ 100 - 200, which falls short of the requirements for quantum measurements. The limiting factor is believed to be the electrode material and the material losses of GaN. en
dc.description.abstract Mekaanisia resonaattoreita voidaan mitata jo kvanttimaailman rajalla. Siksi ne sopivat kvanttimekaniikan tutkimiseen makroskooppisessa mittakaavassa. Tässä työssä tutkitaan galliumnitridiä (GaN) materiaalina korkealaatuisille resonaattoreille, joita voitaisiin käyttää kvanttitason mittauksissa. Galliumnitridi on puolijohdemateriaali, jolla on erinomaiset sähkömekaaniset ominaisuudet, mitkä tekevät siitä sopivan mekaanisiin mikrosysteemisovelluksiin. Galliumnitridin pietsosähköisiä ominaisuuksia voidaan käyttää resonaattorin värähtelyjen sekä tuottamiseen että mittaamiseen. Galliumnitridiresonaattori värähtelee paksuusvärähtelytilassa, jonka taajuudeen määrittää resonaattorin paksuus. Tämä työ kuvaa GaN ohutkalvoresonaattorien (FBAR) valmistuksen ja mikroaaltomittauksen. Resonaattorit ovat valmistettu piikiekon päälle kasvatetusta GaN:sta, joiden välissä on kerros alumiininitridiä. GaN kerroksen paksuus on 500 nm ja AlN kerroksen paksuus 300 nm. Paksuus tuottaa värähtelytaajuuden n. 5 GHz:n alueelle. Värähtelytaajuuksia ja niiden moodeja simuloitiin elementtimenetelmällä käyttäen COMSOL ohjemistoa. Työssä esitellään yksityiskohtaisesti elektrodigeometrian, elektrodimateriaalin ja sähkömekaanisen kytkennän tulokset. Q-arvot saatiin selville sähköisen piirimallin avulla, josta voitiin laskea Q-arvot. Q-arvot olivat luokkaa 100-200, mikä jää työlle asetetuista tavoitteista. Rajoittava tekijä on ilmeisesti elektrodimateriaali ja GaN:n materiaalihäviöt. fi
dc.format.extent 39
dc.language.iso en en
dc.title Gallium nitride thin film bulk acoustic resonators for microwave frequencies en
dc.title Galliumnitridi ohutkalvoresonaattorit mikroaaltotaajuuksille fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword gallium nitride en
dc.subject.keyword thin film en
dc.subject.keyword resonator en
dc.subject.keyword FBAR en
dc.subject.keyword Q-factor en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201606172657
dc.programme.major Teknillinen fysiikka fi
dc.programme.mcode F3005 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Sillanpää, Mika
dc.programme Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma fi


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account