奥趋光电发布高性能、耐超高温AlN单晶衬底基AlScN压电材料新产品

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显着增加。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

 

为了进一步满足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，且由于AlScN（Sc原子浓度<43%）材料的生长基于高度C轴取向的AlN单晶衬底，其与AlN材料具有具备相同的纤锌矿结构和相近的晶格常数，能够极大提升AlScN材料生长质量、降低生长的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材料理论上具备制备使用温度高达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

 

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