AlScN/Si层（左）和AlScN/Al2O3层（右）上已处理的表面声波（SAW）结构。 （图片来源：Fraunhofer-Gesellschaft）
5G移动数据传输需要使用广的频率范围，所有这些频率范围都需要容纳在单个移动设备中。因此，对射频（RF）组件的需求不断扩大。弗劳恩霍夫（Fraunhofer）应用固体物理研究所IAF已经开发出新颖，紧密，节能的高频/高带宽RF滤波器来满足这些需求。在PiTrans项目期间，研究人员成功制造出符合所需工业规格的氮化钪铝（AlScN），以生产用于智能手机的新型电声设备。
近年来，单个智能手机中内置的RF组件的数量越来越多，并没有就此停止的意思。根据2015年预测到的趋势，“PiTrans——下一代压电射频滤波器AlScN层开发项目”着手开发和生产以三元氮化铝基化合物为压电有源层的改良版射频压电换能器。项目期五年内，研究人员成功地生长出了具有高度结晶的AlScN层，并生产了表面声波（SAW）谐振器，满足行业不断的增长需求。为了生长材料，现代磁控溅射基础设施于Fraunhofer IAF建立，该材料对于其他电力电子应用也颇具前景。
AlScN的潜力与挑战
时至今日，AlScN仍是替代手机内部RF滤波器应用中的常规氮化铝（AlN）最有前景的新材料。通过引入钪（Sc）到AlN中，材料的机电耦合和压电系数也相应提高，从而实现更有效的机械能-电能转换。这使得生产效率更高的射频设备变为可能。然而，迄今为止，压电AlScN晶相的不稳定性一直是该材料的工业用途的问题，因为纤锌矿型AlN和立方ScN通常在生长期间发生偏析。“早在2015年，我们就知道AlscN的潜力，但我们需要找到合适的条件，以稳定且可扩展的方式进行开发。”带领团队取得成功的Žukauskaitė博士表示。
晶体成功生长与设备开发
在项目过程中，Fraunhofer IAF的科学家设法生长出高度结晶的AlScN层，其成分复杂，Sc含量高达41％。在整个直径为200mm的硅（Si）晶片上实现了良好的层均匀性，满足工业生产的要求。除了这些与行业相关的结果，项目团队还通过特殊的磁控溅射外延（MSE）沉积方法成功地在晶格匹配的蓝宝石（Al2O3）基板上实现了外延生长，这将对未来的材料研究非常实用。
除了材料的成功开发外，研究人员还进行了三代结构测试来证明AlScN薄膜的性能。使用MSE来生产AlScN/Al2O3谐振器导致机电耦合在2GHz频率下增幅高达10％。Evatec和Qualcomm公司合作，开发了非极性AlScN薄膜，该薄膜进一步改善了声表面波谐振器的机电耦合。这项技术正在进一步研究中，最近的一项成果已发表为学术论文。
AlScN的其他应用
Žukauskaitė博士解释称：“我们认为AlScN是一个非常有前景的备选材料，能赋能于未来利用压电效应的应用，例如传感器技术和高电子迁移率晶体管。”PiTrans项目的成功促使Fraunhofer IAF收购了另外两个涉及AlScN技术的项目。mAgnes项目正在研究宽带电流传感器，例如用于电动汽车的传感器。而SALSA项目的研究团队正在开发新型、可切换的高电子迁移率晶体管（HEMT）。这两个项目都受益于该团队在AlScN生长和基于AlScN的设备开发方面的专业知识，以及Fraunhofer IAF建立的必要基础设施。
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：德国工学院（Fraunhofer-Gesellschaft）
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