AlN thin films are enabling significant progress in modern optoelectronics, power electronics, and microelectromechanical systems. The various AlN growth methods and conditions lead to different film microstructures. In this report, phonon scattering mechanisms that impact the cross-plane (κz; along the c-axis) and in-plane (κr; parallel to the c-plane) thermal conductivities of AlN thin films prepared by various synthesis techniques are investigated. In contrast to bulk single crystal AlN with an isotropic thermal conductivity of ∼330 W/m K, a strong anisotropy in the thermal conductivity is observed in the thin films. The κz shows a strong film thickness dependence due to phonon-boundary scattering. Electron microscopy reveals the presence of grain boundaries and dislocations that limit the κr. For instance, oriented films prepared by reactive sputtering possess lateral crystalline grain sizes ranging from 20 to 40 nm that significantly lower the κr to ∼30 W/m K. Simulation results suggest that the self-heating in AlN film bulk acoustic resonators can significantly impact the power handling capability of RF filters. A device employing an oriented film as the active piezoelectric layer shows an ∼2.5× higher device peak temperature as compared to a device based on an epitaxial film.
REFERENCES
1.
G.
Piazza
, V.
Felmetsger
, P.
Muralt
, R. H.
Olsson
III, and R.
Ruby
, MRS Bull.
37
, 1051
(2012
). 2.
E.
Iborra
, J.
Olivares
, M.
Clement
, L.
Vergara
, A.
Sanz-Hervás
, and J.
Sangrador
, Sens. Actuators, A
115
, 501
(2004
). 3.
P.
Nicolay
, O.
Elmazria
, B.
Assouar
, F.
Sarry
, and L.
Lebrizoual
, Proc. IEEE Ultrason. Symp.
272
(2007
). 4.
J. Y.
Tsao
, S.
Chowdhury
, M. A.
Hollis
, D.
Jena
, N. M.
Johnson
, K. A.
Jones
, R. J.
Kaplar
, S.
Rajan
, C. G.
Van de Walle
, E.
Bellotti
, C. L.
Chua
, R.
Collazo
, M. E.
Coltrin
, J. A.
Cooper
, K. R.
Evans
, S.
Graham
, T. A.
Grotjohn
, E. R.
Heller
, M.
Higashiwaki
, M. S.
Islam
, P. W.
Juodawlkis
, M. A.
Khan
, A. D.
Koehler
, J. H.
Leach
, U. K.
Mishra
, R. J.
Nemanich
, R. C. N.
Pilawa-Podgurski
, J. B.
Shealy
, Z.
Sitar
, M. J.
Tadjer
, A. F.
Witulski
, M.
Wraback
, and J. A.
Simmons
, Adv. Electron. Mater.
4
, 1600501
(2018
). 5.
Y.
Taniyasu
, M.
Kasu
, and T.
Makimoto
, Nature
441
, 325
(2006
). 6.
M.
Kneissl
, T.-Y.
Seong
, J.
Han
, and H.
Amano
, Nat. Photonics
13
, 233
(2019
). 7.
B. J.
Baliga
, J. Appl. Phys.
53
, 1759
(1982
). 8.
G.
Piazza
, V.
Felmetsger
, P.
Muralt
, R. H.
Olsson
, and R.
Ruby
, MRS Bull.
37
, 1051
(2012
). 9.
C.
Li
, X.
Liu
, L.
Shu
, and Y.
Li
, Mater. Express
5
, 367
(2015
). 10.
M.
Reusch
, K.
Holc
, L.
Kirste
, P.
Katus
, L.
Reindl
, O.
Ambacher
, and V.
Lebedev
, Procedia Eng.
168
, 1040
(2016
). 11.
J.
Jung
, W.
Lee
, W.
Kang
, E.
Shin
, J.
Ryu
, and H.
Choi
, J. Micromech. Microeng.
27
, 113001
(2017
). 12.
G.
Piazza
, P. J.
Stephanou
, and A. P.
Pisano
, J. Microelectromech. Syst.
15
, 1406
(2006
). 13.
T. Y.
Chemekova
, O. V.
Avdeev
, I. S.
Barash
, E. N.
Mokhov
, S. S.
Nagalyuk
, A. D.
Roenkov
, A. S.
Segal
, Y. N.
Makarov
, M. G.
Ramm
, S.
Davis
, G.
Huminic
, and H.
Helava
, Phys. Status Solidi C
5
, 1612
(2008
). 14.
S. B.
Schujman
, L. J.
Schowalter
, R. T.
Bondokov
, K. E.
Morgan
, W.
Liu
, J. A.
Smart
, and T.
Bettles
, J. Cryst. Growth
310
, 887
(2008
). 15.
W.-H.
Chen
, Z.-Y.
Qin
, X.-Y.
Tian
, X.-H.
Zhong
, Z.-H.
Sun
, B.-K.
Li
, R.-S.
Zheng
, Y.
Guo
, and H.-L.
Wu
, Molecules
24
, 1562
(2019
). 16.
S.
Tanaka
, R. S.
Kern
, and R. F.
Davis
, Appl. Phys. Lett.
66
, 37
(1995
). 17.
A.
Hickman
, R.
Chaudhuri
, S. J.
Bader
, K.
Nomoto
, K.
Lee
, H. G.
Xing
, and D.
Jena
, IEEE Electron Device Lett.
40
, 1293
(2019
). 18.
A. G.
Baca
, A. M.
Armstrong
, A. A.
Allerman
, E. A.
Douglas
, C. A.
Sanchez
, M. P.
King
, M. E.
Coltrin
, T. R.
Fortune
, and R. J.
Kaplar
, Appl. Phys. Lett.
109
, 033509
(2016
). 19.
H.
Tokuda
, M.
Hatano
, N.
Yafune
, S.
Hashimoto
, K.
Akita
, Y.
Yamamoto
, and M.
Kuzuhara
, Appl. Phys. Express
3
, 121003
(2010
). 20.
N.
Yafune
, S.
Hashimoto
, K.
Akita
, Y.
Yamamoto
, H.
Tokuda
, and M.
Kuzuhara
, Electron. Lett.
50
, 211
(2014
). 21.
R.
Dargis
, A.
Clark
, A.
Ansari
, Z.
Hao
, M.
Park
, D.
Kim
, R.
Yanka
, R.
Hammond
, M.
Debnath
, and R.
Pelzel
, Phys. Status Solidi
217
, 1900813
(2020
). 22.
C.-P.
Huang
, K.
Gupta
, C.-H.
Wang
, C.-P.
Liu
, and K.-Y.
Lai
, Sci. Rep.
7
, 7135
(2017
). 23.
M.
Pons
, J.
Su
, M.
Chubarov
, R.
Boichot
, F.
Mercier
, E.
Blanquet
, G.
Giusti
, and D.
Pique
, J. Cryst. Growth
468
, 235
(2017
). 24.
M.-A.
Dubois
and P.
Muralt
, J. Appl. Phys.
89
, 6389
(2001
). 25.
P.
Muralt
, Piezoelectric MEMS Resonators, edited by H.
Bhugra
and G.
Piazza
(Springer International Publishing
, Cham
, 2017
), pp. 3
–37
.26.
P.
Muralt
, R. G.
Polcawich
, and S.
Trolier-McKinstry
, MRS Bull.
34
, 658
(2009
). 27.
S.
Trolier-McKinstry
and P.
Muralt
, J. Electroceramics
12
, 7
(2004
). 28.
N.
Susilo
, S.
Hagedorn
, D.
Jaeger
, H.
Miyake
, U.
Zeimer
, C.
Reich
, B.
Neuschulz
, L.
Sulmoni
, M.
Guttmann
, F.
Mehnke
, C.
Kuhn
, T.
Wernicke
, M.
Weyers
, and M.
Kneissl
, Appl. Phys. Lett.
112
, 41110
(2018
). 29.
Y. R.
Koh
, Z.
Cheng
, A.
Mamun
, M. S.
Bin Hoque
, Z.
Liu
, T.
Bai
, K.
Hussain
, M. E.
Liao
, R.
Li
, J. T.
Gaskins
, A.
Giri
, J.
Tomko
, J. L.
Braun
, M.
Gaevski
, E.
Lee
, L.
Yates
, M. S.
Goorsky
, T.
Luo
, A.
Khan
, S.
Graham
, and P. E.
Hopkins
, ACS Appl. Mater. Interfaces
12
, 29443
(2020
). 30.
A. V.
Inyushkin
, A. N.
Taldenkov
, D. A.
Chernodubov
, E. N.
Mokhov
, S. S.
Nagalyuk
, V. G.
Ralchenko
, and A. A.
Khomich
, J. Appl. Phys.
127
, 205109
(2020
). 31.
G. A.
Slack
, R. A.
Tanzilli
, R. O.
Pohl
, and J. W.
Vandersande
, J. Phys. Chem. Solids
48
, 641
(1987
). 32.
C.
Duquenne
, M.-P. P.
Besland
, P. Y.
Tessier
, E.
Gautron
, Y.
Scudeller
, and D.
Averty
, J. Phys. D: Appl. Phys.
45
, 15301
(2012
). 33.
S.
Xiao
, R.
Suzuki
, H.
Miyake
, S.
Harada
, and T.
Ujihara
, J. Cryst. Growth
502
, 41
(2018
). 34.
R. L.
Xu
, M.
Muñoz Rojo
, S. M.
Islam
, A.
Sood
, B.
Vareskic
, A.
Katre
, N.
Mingo
, K. E.
Goodson
, H. G.
Xing
, D.
Jena
, and E.
Pop
, J. Appl. Phys.
126
, 185105
(2019
). 35.
D. G.
Cahill
, Rev. Sci. Instrum.
75
, 5119
(2004
). 36.
J.
Zhu
, X.
Wu
, D. M.
Lattery
, W.
Zheng
, and X.
Wang
, Nanoscale Microscale Thermophys. Eng.
21
, 177
(2017
). 37.
J.
Zhu
, H.
Park
, J.-Y.
Chen
, X.
Gu
, H.
Zhang
, S.
Karthikeyan
, N.
Wendel
, S. A.
Campbell
, M.
Dawber
, X.
Du
, M.
Li
, J.-P.
Wang
, R.
Yang
, and X.
Wang
, Adv. Electron. Mater.
2
, 1600040
(2016
). 38.
M. S. B.
Hoque
, Y. R.
Koh
, J. L.
Braun
, A.
Mamun
, Z.
Liu
, K.
Huynh
, M. E.
Liao
, K.
Hussain
, Z.
Cheng
, E. R.
Hoglund
, D. H.
Olson
, J. A.
Tomko
, K.
Aryana
, R.
Galib
, J. T.
Gaskins
, M. M. M.
Elahi
, Z. C.
Leseman
, J. M.
Howe
, T.
Luo
, S.
Graham
, M. S.
Goorsky
, A.
Khan
, and P. E.
Hopkins
, ACS Nano
15
, 9588
(2021
). 39.
J. P.
Freedman
, J. H.
Leach
, E. A.
Preble
, Z.
Sitar
, R. F.
Davis
, and J. A.
Malen
, Sci. Rep.
3
, 2963
(2013
). 40.
T. E.
Beechem
, A. E.
McDonald
, E. J.
Fuller
, A. A.
Talin
, C. M.
Rost
, J.-P.
Maria
, J. T.
Gaskins
, P. E.
Hopkins
, and A. A.
Allerman
, J. Appl. Phys.
120
, 95104
(2016
). 41.
Y.
Shen
, R.
Zhang
, R.
Vetury
, and J.
Shealy
, in 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium
(IEEE
, 2020
), pp. 1
–3
.42.
R.
Liu
, F. A.
Ponce
, A.
Dadgar
, and A.
Krost
, Appl. Phys. Lett.
83
, 860
(2003
). 43.
O.
Ambacher
, J. Phys. D. Appl. Phys.
31
, 2653
(1998
). 44.
H.
Watanabe
, N.
Yamada
, and M.
Okaji
, Int. J. Thermophys.
25
, 221
(2004
). 45.
S.
Tamariz
, D.
Martin
, and N.
Grandjean
, J. Cryst. Growth
476
, 58
(2017
). 46.
S.
Raghavan
and J. M.
Redwing
, J. Cryst. Growth
261
, 294
(2004
). 47.
S. R.
Lee
, A. M.
West
, A. A.
Allerman
, K. E.
Waldrip
, D. M.
Follstaedt
, P. P.
Provencio
, D. D.
Koleske
, and C. R.
Abernathy
, Appl. Phys. Lett.
86
, 241904
(2005
). 48.
T.
Metzger
, R.
Höpler
, E.
Born
, O.
Ambacher
, M.
Stutzmann
, R.
Stömmer
, M.
Schuster
, H.
Göbel
, S.
Christiansen
, M.
Albrecht
, and H. P.
Strunk
, Philos. Mag. A
77
, 1013
(1998
). 49.
D.
Wang
, K.
Uesugi
, S.
Xiao
, K.
Norimatsu
, and H.
Miyake
, Appl. Phys. Express
13
, 95501
(2020
). 50.
T. E.
Beechem
, A. E.
Mcdonald
, E. J.
Fuller
, A. A.
Talin
, C. M.
Rost
, J. P.
Maria
, J. T.
Gaskins
, P. E.
Hopkins
, A. A.
Allerman
, J. Appl. Phys.
120
, 095104
(2017
). 51.
H.
Miyake
, C.-H.
Lin
, K.
Tokoro
, and K.
Hiramatsu
, J. Cryst. Growth
456
, 155
(2016
). 52.
N.
Onojima
, J.
Suda
, T.
Kimoto
, and H.
Matsunami
, Appl. Phys. Lett.
83
, 5208
(2003
). 53.
R.
Rounds
, B.
Sarkar
, A.
Klump
, C.
Hartmann
, T.
Nagashima
, R.
Kirste
, A.
Franke
, M.
Bickermann
, Y.
Kumagai
, Z.
Sitar
, and R.
Collazo
, Appl. Phys. Express
11
, 71001
(2018
). 54.
A.
Franco Júnior
and D. J.
Shanafield
, Cerâmica
50
, 247
(2004
). 55.
P.
Bogusławski
and J.
Bernholc
, Phys. Rev. B
56
, 9496
(1997
). 56.
J.
Zou
, D.
Kotchetkov
, A. A.
Balandin
, D. I.
Florescu
, and F. H.
Pollak
, J. Appl. Phys.
92
, 2534
(2002
). 57.
M.
Akiyama
, T.
Kamohara
, K.
Kano
, A.
Teshigahara
, and N.
Kawahara
, Appl. Phys. Lett.
93
, 21903
(2008
). 58.
G. A.
Slack
, L. J.
Schowalter
, D.
Morelli
, and J. A.
Freitas
, J. Cryst. Growth
246
, 287
(2002
). 59.
M. A.
Signore
, A.
Taurino
, D.
Valerini
, A.
Rizzo
, I.
Farella
, M.
Catalano
, F.
Quaranta
, and P.
Siciliano
, J. Alloys Compd.
649
, 1267
(2015
). 60.
J. W.
Lee
, J. J.
Cuomo
, Y. S.
Cho
, and R. L.
Keusseyan
, J. Am. Ceram. Soc.
88
, 1977
(2005
). 61.
S.
Fleischmann
, E.
Richter
, A.
Mogilatenko
, M.
Weyers
, and B.
Sapphire
, J. Cryst. Growth
507
, 295
(2019
). 62.
D.
Fu
, Q.
Wang
, G.
Zhang
, R.
Zhu
, H.
Liu
, Z.
Li
, and L.
Wu
, J. Cryst. Growth
551
, 125902
(2020
). 63.
Y.-C.
Yang
, C.-T.
Chang
, Y.-C.
Hsiao
, J.-W.
Lee
, and B.-S.
Lou
, Surf. Coatings Technol.
259
, 219
(2014
). 64.
C. H.
Park
, J. G.
Kim
, S.-G.
Jung
, D. J.
Lee
, Y. W.
Park
, and B.-K.
Ju
, Sci. Rep.
9
, 8690
(2019
). 65.
F. Y. C.
Boey
, X. L.
Song
, Z. Y.
Gu
, and A.
Tok
, J. Mater. Process. Technol.
89–90
, 478
(1999
). 66.
C. T.
Warner
, T. M.
Hartnett
, D.
Fisher
, and W.
Sunne
, Proc. SPIE
5786 (2005
). 67.
Y.
Zheng
, M.
Park
, A.
Ansari
, C.
Yuan
, and S.
Graham
, 2021 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators Microsystems
(IEEE, 2021
), pp. 321
–324
.68.
J.
Wang
, Y.
Zheng
, and A.
Ansari
, Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett.
15
, 2100034
(2021
). 69.
S. S.
Iyer
and R. N.
Candler
, Phys. Rev. Appl.
5
, 34002
(2016
). 70.
Y.
Song
, C.
Perez
, G.
Esteves
, J. S.
Lundh
, C. B.
Saltonstall
, T. E.
Beechem
, J. I.
Yang
, K.
Ferri
, J. E.
Brown
, Z.
Tang
, J.-P.
Maria
, D. W.
Snyder
, R. H.
Olsson
, B. A.
Griffin
, S. E.
Trolier-McKinstry
, B. M.
Foley
, and S.
Choi
, ACS Appl. Mater. Interfaces
13
, 19031
–19041
(2021
).71.
K.
Uesugi
, Y.
Hayashi
, K.
Shojiki
, and H.
Miyake
, Appl. Phys. Express
12
, 65501
(2019
). 72.
Z.
Hao
, M.
Park
, D. G.
Kim
, A.
Clark
, R.
Dargis
, H.
Zhu
, A.
Ansari
, and N. A.
Nw
, in 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium
(IEEE, 2019
), p. 786
.73.
W.
Zhou
, R.
Apkarian
, Z. L.
Wang
, D.
Joy
, W.
Zhou
, and Z. L.
Wang
, Fundamentals of Scanning Electron Microscopy (SEM) (Springer
, New York
, 2007
), pp. 1
–40
.74.
J. S.
Lundh
, K.
Coleman
, Y.
Song
, B. A.
Griffin
, G.
Esteves
, E. A.
Douglas
, A.
Edstrand
, S. C.
Badescu
, E. A.
Moore
, J. H.
Leach
, B.
Moody
, S.
Trolier-McKinstry
, and S.
Choi
, J. Appl. Phys.
130
, 44501
(2021
). 75.
Y.
Wang
, J. Y.
Park
, Y. K.
Koh
, and D. G.
Cahill
, J. Appl. Phys.
108
, 43507
(2010
). 76.
J.
Zhu
, H.
Park
, J.-Y.
Chen
, X.
Gu
, H.
Zhang
, S.
Karthikeyan
, N.
Wendel
, S. A.
Campbell
, M.
Dawber
, X.
Du
, M.
Li
, J.-P.
Wang
, R.
Yang
, and X.
Wang
, Adv. Electron. Mater.
2
, 1600040
(2016
). 77.
J.
Zhu
, T.
Feng
, S.
Mills
, P.
Wang
, X.
Wu
, L.
Zhang
, S. T.
Pantelides
, X.
Du
, and X.
Wang
, ACS Appl. Mater. Interfaces
10
, 40740
(2018
). 78.
T.
Feng
, X.
Wu
, X.
Yang
, P.
Wang
, L.
Zhang
, X.
Du
, X.
Wang
, and S. T.
Pantelides
, Adv. Funct. Mater.
30
, 1907286
(2020
). 79.
A. J.
Schmidt
, R.
Cheaito
, and M.
Chiesa
, Rev. Sci. Instrum.
80
, 94901
(2009
). 80.
J. L.
Braun
, D. H.
Olson
, J. T.
Gaskins
, P. E.
Hopkins
, D. H.
Olson
, and J. T.
Gaskins
, Rev. Sci. Instrum.
90
, 24905
(2019
). 81.
Y.
Song
, D.
Shoemaker
, J. H.
Leach
, C.
McGray
, H.-L.
Huang
, A.
Bhattacharyya
, Y.
Zhang
, C. U.
Gonzalez-Valle
, T.
Hess
, S.
Zhukovsky
, K.
Ferri
, R. M.
Lavelle
, C.
Perez
, D. W.
Snyder
, J.-P.
Maria
, B.
Ramos-Alvarado
, X.
Wang
, S.
Krishnamoorthy
, J.
Hwang
, B. M.
Foley
, and S.
Choi
, ACS Appl. Mater. Interfaces
13
, 40817
(2021
). 82.
C. A.
Ratsifaritana
and P. G.
Klemens
, Int. J. Thermophys.
8
, 737
(1987
). © 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
