新产品 | 奥趋光电发布耐超高温、高性能MEMS用AlN单晶衬底基AlScN压电新材料

1

几十年来，压电薄膜氮化铝（AlN）因其出色的介电性能以及物理/化学稳定性而备受关注（见表1），并已广泛用于压电 MEMS传感器和致动器元件等。 由于AlN压电系数偏小，2009 年Akiyama 等人首次报道了AlN的压电系数可以通过掺杂Sc显著增加。此后，AlScN材料引起了极大的关注，目前已成为一种非常热门的MEMS应用压电材料，基于AlScN的MEMS器件已大规模成功应用于声波谐振器、磁电传感器、能量收集器及压电致动器等。

表1  氮化铝与其他半导体、超宽禁带半导体材料参数/性能对比

高温传感器、换能器和压电致动器在智能电网、汽车、飞机、航空航天和核电能源行业有巨大需求。如在航空航天推进系统中，高温传感器是智能推进系统设计、运行和系统维护的基础，由于对可靠性和噪音的要求，这些传感器需要直接部署在喷气发动机内，并需承受500至1000°C的温度且其使用寿命需达100000小时；在核电行业的二次冷却系统中，钢制部件的无损检测通常在400℃以上的高温下进行，需要相应的高可靠性高温传感技术。一些传统压电材料已经被广泛研究用于高温传感应用，包括石英（SiO₂）、正磷酸镓（GaPO₄）、朗格石（LGS）和氧硼化钇（YCOB）。但这些压电材料通常在400°C-1000°C温度区间发生相变或其机电耦合系数、品质因子急剧恶化，限制了其压电灵敏度与应用。近年来，超宽禁带半导体材料AlN由于其出色的物理/化学稳定性，在超高温（>1000°C）传感器应用方面获得了越来越多关注（如图1），使其成为极端恶劣环境下声表面谐振/滤波传感应用的热门材料，其优点包括：在氮气环境下的解体温度接近1850°C，且在此之前不会发生任何相变，因此其压电响应可以在超高温下观察到；AlN具备优异的导热性能（3.40 W/cm-K）、高电阻率（10¹¹至10¹³ Ω-cm）、较小的热膨胀系数（4.5×10^-6 /℃）及在紫外到红外波段内的光学透明度等。

图1 AlN压电系数随温度的变化

为进一步满足AlN材料在高频、高机电耦合系数及超高温压电传感领域的应用，奥趋光电推出了全球首款基于AlN单晶衬底的AlScN材料（见图2）。其中，AlN单晶衬底是基于奥趋光电多年自主研发并已经小批量量产的2英寸及其以下尺寸产品，具有高结晶质量、低位错密度、低表面粗糙度等优点，另外，由于AlScN（掺杂的Sc原子浓度<43%）材料的生长是基于高度C轴取向的AlN单晶作衬底，因此与AlN材料具备相同的纤锌矿结构和相近的晶格常数，这能够极大提升AlScN材料的生长质量、降低生长过程中AlScN薄膜的残余应力及高Sc浓度下AlScN薄膜异常形核密度。奥趋光电的表征分析及高温测试结果表明，基于AlN单晶衬底生长的AlScN半高宽（FWHM）可低至 100 arcsec, 氮气环境下的AlN/AlScN材料长时间在1500°C温度环境下后仍保持其稳定性能（见图3）。事实上，掺Sc的AlN单晶可使用PVT方法在2200°C-2300°C左右进行生长，因此AlN单晶衬底基AlScN压电器件使用极限温度仅受限于电极材料/封装材料的高温稳定性。在选择合适的电极材料及封装保护条件下，AlN单晶衬底基AlScN材料理论上可制备使用温度高达1500°C以上的压电传感器。该产品的顺利发布将使制备耐超高温度的高频、高机电耦合系数及高品质因子的各种压电传感器成为可能。

图2 奥趋光电推出的2英寸AlN单晶衬底基AlScN样品

图3  AlN单晶衬底基AlScN半高宽（FWHM）在长时间1500°C高温测试前后对比

2

关于奥趋光电

奥趋光电是由海归博士团队、半导体领域顶尖技术专家领衔，于2016年5月创立的高新技术、创新型企业，总部位于浙江省杭州市。奥趋光电核心专注于第三代/第四代超宽禁带半导体氮化铝晶圆衬底材料、蓝宝石基/硅基/碳化硅基氮化铝/氮化铝钪薄膜模板、全自动氮化铝PVT气相沉积炉及其相关产品的研发、制造与销售，核心产品被列入《中国制造2025》关键战略新材料与装备目录，是制备深紫外LED芯片、5G射频前端滤波器、MEMS压电传感器等各类紫外发光器件、高温/高频射频器件、高频/高功率电子及激光器件的理想衬底/压电材料。

奥趋光电经过多年的高强度研发投入，成功开发出全球最大，直径60mm的氮化铝单晶及晶圆，也是全球首家蓝宝石基氮化铝薄膜模板大批量制造商。目前可向客户提供2英寸及以下尺寸高质量氮化铝单晶衬底、2/4/6英寸蓝宝石基/硅基/碳化硅基氮化铝、氮化铝钪薄膜模板、氮化铝单晶气相沉积炉及热处理设备等产品，同时向客户及合作伙伴提供从设备设计、热场设计、热场模拟仿真技术开发、咨询及生长工艺优化到晶圆制程等全环节的完整工艺解决方案与专业技术服务。截止2022年6月，共申请/授权国际、国内专利50余项，是全球范围内本领域专利数量最多的团队之一，被公认为本领域全球技术的领导者。

END