AlSCN ——用于更有效的智能手机硬件的替代材料
5G移动数据传输需要使用更多和更高的频率范围，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）组件的需求不断增加。据外媒报道，近日弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF已经开发出新颖、紧凑、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，研究人员设法生长出具有所需工业规格的氮化铝铝（AlSCN），并实现了用于智能手机的新型电声设备。
AlScN / Si层（左）和AlScN / Al2O3层（右）上的已处理表面声波（SAW）结构。图片来源：Fraunhofer-Gesellschaft
近年来，单个智能手机中内置的RF组件的数量已大大增加，而且还没有结束。顺应未来的发展趋势，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF领导的项目“ PiTrans-下一代压电RF滤波器的AlScN层的开发”开始开发和生产改进的RF压电换能器，其中三元AlN基氮化物为压电活性层。
在该项目的五年内，研究人员成功地生长了高度结晶的AlSCN层，并实现了满足行业不断增长的需求的表面声波（SAW）谐振器。为了材料的增长，这对于其他电力电子应用也很有希望，在Fraunhofer IAF建立了现代磁控溅射基础设施。
AlSCN的潜力和挑战
时至今日，AlSCN仍是最有前途的新材料，可替代手机内部RF滤波器应用中的常规氮化铝（AlN）。通过将Scan（Sc）引入AlN中，可以提高材料的机电耦合和压电系数，从而实现更有效的机械到电能转换。这允许生产效率更高的射频设备。
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。
带领该项目取得成功的博士说，“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。”
成功的成长和设备开发
在项目过程中，Fraunhofer IAF的科学家设法生长出高度结晶的AlSCN层，其成分广泛，最高Sc含量可达41％。在整个直径最大为200 mm的硅（Si）晶片上都实现了良好的层均匀性，这满足了工业生产的要求。
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）衬底上实现了外延生长，这将对将来的材料研究有用。
除了成功的材料开发外，研究人员还生产了三代测试结构来证明AlScN薄膜的性能。产生基于AlSCN / Al2O3的谐振器的MSE实施导致机电耦合在2GHz频率下增加高达10％。
同时还与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，最近的一项最新结果已在科学论文中发表。
AlSCN用于其他应用
研究人员解释说：“我们认为AlSCN是一个非常有前途的候选者，可用于利用压电效应的未来应用，例如传感器技术和高电子迁移率晶体管。”
PiTrans项目的成功导致在Fraunhofer IAF收购了另外两个涉及AlScN技术的项目。在mAgnes项目中，正在研究宽带电流传感器，例如用于电动汽车的传感器。在SALSA项目中，研究团队正在开发新型的可开关高电子迁移率晶体管（HEMT）。这两个项目都受益于该团队在AlSCN增长和基于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。
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