新產(chǎn)品 | 奧趨光電發(fā)布耐超高溫、高性能MEMS用AlN單晶襯底基AlScN壓電新材料

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幾十年來(lái)，壓電薄膜氮化鋁（AlN）因其出色的介電性能以及物理/化學(xué)穩(wěn)定性而備受關(guān)注（見(jiàn)表1），并已廣泛用于壓電 MEMS傳感器和致動(dòng)器元件等。 由于AlN壓電系數(shù)偏小，2009 年Akiyama 等人首次報(bào)道了AlN的壓電系數(shù)可以通過(guò)摻雜Sc顯著增加。此后，AlScN材料引起了極大的關(guān)注，目前已成為一種非常熱門(mén)的MEMS應(yīng)用壓電材料，基于AlScN的MEMS器件已大規(guī)模成功應(yīng)用于聲波諧振器、磁電傳感器、能量收集器及壓電致動(dòng)器等。

表1  氮化鋁與其他半導(dǎo)體、超寬禁帶半導(dǎo)體材料參數(shù)/性能對(duì)比

高溫傳感器、換能器和壓電致動(dòng)器在智能電網(wǎng)、汽車(chē)、飛機(jī)、航空航天和核電能源行業(yè)有巨大需求。如在航空航天推進(jìn)系統(tǒng)中，高溫傳感器是智能推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和系統(tǒng)維護(hù)的基礎(chǔ)，由于對(duì)可靠性和噪音的要求，這些傳感器需要直接部署在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，并需承受500至1000°C的溫度且其使用壽命需達(dá)100000小時(shí)；在核電行業(yè)的二次冷卻系統(tǒng)中，鋼制部件的無(wú)損檢測(cè)通常在400℃以上的高溫下進(jìn)行，需要相應(yīng)的高可靠性高溫傳感技術(shù)。一些傳統(tǒng)壓電材料已經(jīng)被廣泛研究用于高溫傳感應(yīng)用，包括石英（SiO₂）、正磷酸鎵（GaPO₄）、朗格石（LGS）和氧硼化釔（YCOB）。但這些壓電材料通常在400°C-1000°C溫度區(qū)間發(fā)生相變或其機(jī)電耦合系數(shù)、品質(zhì)因子急劇惡化，限制了其壓電靈敏度與應(yīng)用。近年來(lái)，超寬禁帶半導(dǎo)體材料AlN由于其出色的物理/化學(xué)穩(wěn)定性，在超高溫（>1000°C）傳感器應(yīng)用方面獲得了越來(lái)越多關(guān)注（如圖1），使其成為極端惡劣環(huán)境下聲表面諧振/濾波傳感應(yīng)用的熱門(mén)材料，其優(yōu)點(diǎn)包括：在氮?dú)猸h(huán)境下的解體溫度接近1850°C，且在此之前不會(huì)發(fā)生任何相變，因此其壓電響應(yīng)可以在超高溫下觀察到；AlN具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性能（3.40 W/cm-K）、高電阻率（10¹¹至10¹³ Ω-cm）、較小的熱膨脹系數(shù)（4.5×10^-6 /℃）及在紫外到紅外波段內(nèi)的光學(xué)透明度等。

圖1 AlN壓電系數(shù)隨溫度的變化

為進(jìn)一步滿足AlN材料在高頻、高機(jī)電耦合系數(shù)及超高溫壓電傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，奧趨光電推出了全球首款基于AlN單晶襯底的AlScN材料（見(jiàn)圖2）。其中，AlN單晶襯底是基于奧趨光電多年自主研發(fā)并已經(jīng)小批量量產(chǎn)的2英寸及其以下尺寸產(chǎn)品，具有高結(jié)晶質(zhì)量、低位錯(cuò)密度、低表面粗糙度等優(yōu)點(diǎn)，另外，由于AlScN（摻雜的Sc原子濃度<43%）材料的生長(zhǎng)是基于高度C軸取向的AlN單晶作襯底，因此與AlN材料具備相同的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和相近的晶格常數(shù)，這能夠極大提升AlScN材料的生長(zhǎng)質(zhì)量、降低生長(zhǎng)過(guò)程中AlScN薄膜的殘余應(yīng)力及高Sc濃度下AlScN薄膜異常形核密度。奧趨光電的表征分析及高溫測(cè)試結(jié)果表明，基于AlN單晶襯底生長(zhǎng)的AlScN半高寬（FWHM）可低至 100 arcsec, 氮?dú)猸h(huán)境下的AlN/AlScN材料長(zhǎng)時(shí)間在1500°C溫度環(huán)境下后仍保持其穩(wěn)定性能（見(jiàn)圖3）。事實(shí)上，摻Sc的AlN單晶可使用PVT方法在2200°C-2300°C左右進(jìn)行生長(zhǎng)，因此AlN單晶襯底基AlScN壓電器件使用極限溫度僅受限于電極材料/封裝材料的高溫穩(wěn)定性。在選擇合適的電極材料及封裝保護(hù)條件下，AlN單晶襯底基AlScN材料理論上可制備使用溫度高達(dá)1500°C以上的壓電傳感器。該產(chǎn)品的順利發(fā)布將使制備耐超高溫度的高頻、高機(jī)電耦合系數(shù)及高品質(zhì)因子的各種壓電傳感器成為可能。

圖2 奧趨光電推出的2英寸AlN單晶襯底基AlScN樣品

圖3  AlN單晶襯底基AlScN半高寬（FWHM）在長(zhǎng)時(shí)間1500°C高溫測(cè)試前后對(duì)比

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關(guān)于奧趨光電

奧趨光電是由海歸博士團(tuán)隊(duì)、半導(dǎo)體領(lǐng)域頂尖技術(shù)專(zhuān)家領(lǐng)銜，于2016年5月創(chuàng)立的高新技術(shù)、創(chuàng)新型企業(yè)，總部位于浙江省杭州市。奧趨光電核心專(zhuān)注于第三代/第四代超寬禁帶半導(dǎo)體氮化鋁晶圓襯底材料、藍(lán)寶石基/硅基/碳化硅基氮化鋁/氮化鋁鈧薄膜模板、全自動(dòng)氮化鋁PVT氣相沉積爐及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、制造與銷(xiāo)售，核心產(chǎn)品被列入《中國(guó)制造2025》關(guān)鍵戰(zhàn)略新材料與裝備目錄，是制備深紫外LED芯片、5G射頻前端濾波器、MEMS壓電傳感器等各類(lèi)紫外發(fā)光器件、高溫/高頻射頻器件、高頻/高功率電子及激光器件的理想襯底/壓電材料。

奧趨光電經(jīng)過(guò)多年的高強(qiáng)度研發(fā)投入，成功開(kāi)發(fā)出全球最大，直徑60mm的氮化鋁單晶及晶圓，也是全球首家藍(lán)寶石基氮化鋁薄膜模板大批量制造商。目前可向客戶提供2英寸及以下尺寸高質(zhì)量氮化鋁單晶襯底、2/4/6英寸藍(lán)寶石基/硅基/碳化硅基氮化鋁、氮化鋁鈧薄膜模板、氮化鋁單晶氣相沉積爐及熱處理設(shè)備等產(chǎn)品，同時(shí)向客戶及合作伙伴提供從設(shè)備設(shè)計(jì)、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、熱場(chǎng)模擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)、咨詢及生長(zhǎng)工藝優(yōu)化到晶圓制程等全環(huán)節(jié)的完整工藝解決方案與專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)。截止2022年6月，共申請(qǐng)/授權(quán)國(guó)際、國(guó)內(nèi)專(zhuān)利50余項(xiàng)，是全球范圍內(nèi)本領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量最多的團(tuán)隊(duì)之一，被公認(rèn)為本領(lǐng)域全球技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

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