Characterization of AlN-based BAW resonators at ultra-low temperatures down to 10 mK

Abstract

Quanten-MEMS ermöglichen ein breites Spektrum an Experimenten und Messmöglichkeiten, die durch quantenmechanische Effekte bestimmt werden. Dabei kommen verschiedene Arten von MEMS Resonatoren zum Einsatz. Von besonderem Interesse sind dabei Bulk-Acoustic-Wave-Resonatoren (BAW-Resonatoren), da sie im Gegensatz zu anderen Plattformen wie gefangenen Ionen oder supraleitenden Schaltkreisen CMOS-kompatibel sind und damit on-chip integrierbar in mikroelektronischen Systemen sind. Diese Bauelemente arbeiten auf Basis eines piezoelektrischen Materials, in dem Energie in Form mechanischer Anregungen bei der Resonanzfrequenz des jeweiligen Resonators gespeichert werden kann. Da diese Frequenzen typischerweise im Gigahertz-Bereich liegen, ist es dann möglich, den thermischen Grundzustand zu erreichen, auch wenn dazu komplexe kryotechnische Anlagen wie Mischungskryostate erforderlich sind. In dieser Arbeit wird eine Grundlage für das Verständnis von BAW-Resonatoren im mK-Regime geschaffen, indem die gesamte Kette von Theorie und Modellierung bis in den Bauelementdesign und die Fertigung bis hin zu kryogenen Messungen betrachtet wird. Bei solche niedrigen Temperaturen werden strukturelle Defekte im Material zunehmend relevant. Diese Defekte können Tunnelprozesse von Ladungsträgern oder anderen Teilchen ermöglichen, die als zusätzliche Dissipationsquelle für die mechanischen Anregungen wirken. Sie werden üblicherweise als Zwei-Niveau-Systeme, beziehungsweise Two-Level Systems (TLS), bezeichnet und sind auf mikroskopischer Ebene noch nicht vollständig verstanden. Innerhalb dieses breiteren Rahmens untersucht die vorliegende Arbeit auch TLS-Signaturen in den gefertigten Bauelementen. Die Forschung zu TLS in BAW-Resonatoren ist bislang noch recht begrenzt, und die experimentellen Ergebnisse legen nahe, dass sie sich ähnlich wie in Oberflächenakustikwellenresonatoren (SAW-Resonatoren) verhalten sollten. Die vorliegende Arbeit weist jedoch auf ein leicht verändertes Verhalten hin: Die mechanische Serienresonanzfrequenz des Bauelements muss von seiner gesamten Resonanzfrequenz unterschieden werden. Letztere folgt der theoretischen Erwartung für TLS-induzierte dispersive Verschiebungen, ein Effekt, der in dieser Form für andere akustische Resonatoren nicht beobachtet wurde. Dies deutet darauf hin, dass BAW-Resonatoren im Hinblick auf TLS anders behandelt werden müssen als andere akustische Resonatoren. Damit liefert diese Arbeit nicht nur eine experimentelle Grundlage für den Betrieb von BAW-Resonatoren im ultrakryogenen Regime, sondern eröffnet auch einen neuen Ansatzpunkt für zukünftige Forschung zu TLS-Effekten in akustischen Resonatorsystemen.

Quantum MEMS enable a wide range of experiments and measurement regimes governed by quantum mechanics by employing different types of resonators. Of particular interest are bulk acoustic wave (BAW) resonators because of their CMOS compatibility and therefore suitability for on-chip integration in microelectrical systems in contrast to other platforms such as trapped ions and superconducting circuits. The BAW resonator operates by means of a piezoelectric material, in which energy can be stored as mechanical excitations at the resonance frequency of the device. However, since these frequencies typically lie in the gigahertz regime, ultra-low temperatures are required in order to reach the thermal single-excitation regime, which in turn necessitates cryogenic systems such as dilution refrigerators. In this work, a basis of understanding for BAW resonators in the mK regime is established by covering the full chain from theory and modeling to device design, fabrication, and cryogenic measurements. At such low temperatures, structural imperfections in the material become increasingly relevant. These defects can give rise to tunneling processes for charge carriers or other particles, which act as an additional source of dissipation for the mechanical excitations. They are commonly described as two-level systems (TLS) and are still not fully understood on the microscopic level. Within this broader framework, the present work also investigates TLS fingerprints in the fabricated devices.Research on TLS in BAW resonators is still rather limited, and experimental results suggest that they should behave similarly to surface acoustic wave (SAW) resonators. However, the present work indicates a similar, yet slightly different finding: the series mechanical resonance frequency of the device must be treated differently from its overall resonance frequency, unlike in SAW resonators, where these frequencies are typically not distinguished. The overall resonance frequency follows the theoretical expectation for TLS-induced dispersive shifts, an effect that was not observed in the same form for other acoustic resonators such as surface acoustic wave resonators. This suggests that BAW resonators may have to be treated differently from other acoustic resonators with respect to TLS. As a result, this work not only provides an experimental basis for BAW operation in the ultra-cryogenic regime, but also opens a new avenue for future research into TLS effects in acoustic resonator systems.