AlScN – alternativt materiale til mere effektiv smartphone-hardware

5G mobile dataoverførsler kræver brug af flere og højere frekvensområder, som alle skal rummes inden for en enkelt mobilenhed. Dermed, kravene til radiofrekvenskomponenter (RF) er konstant stigende. Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har udviklet en ny, kompakt, og energieffektive RF-filtre med høj frekvens/høj båndbredde til at opfylde disse behov. Under projektet PiTrans, forskerne har formået at dyrke aluminium scandium nitrid (AlScN) med de nødvendige industrielle specifikationer og at realisere nye elektroakustiske enheder til smartphones.

Antallet af RF-komponenter indbygget i en enkelt smartphone er steget markant i de seneste år, og der er ingen ende i sigte. Forudsige denne tendens i 2015, projektet "PiTrans—Udvikling af AlScN-lag til næste generation af piezoelektriske RF-filtre" havde til formål at udvikle og producere forbedrede RF piezo-transducere med ternære AlN-baserede nitrider som det piezoaktive lag. Inden for fem år af projektet, forskerne lykkedes med at dyrke højkrystallinske AlScN-lag og realisere overflade-akustiske bølgeresonatorer (SAW), der opfylder industriens stigende krav. Til vækst af materialet, som også er lovende for andre kraftelektroniske applikationer, en moderne magnetronforstøvningsinfrastruktur blev etableret ved Fraunhofer IAF.

Potentiale og udfordringer ved AlScN

Til denne dag, AlScN er fortsat det mest lovende nye materiale til at erstatte konventionelt aluminiumnitrid (AlN) i RF-filterapplikationer i mobiltelefoner. Ved at introducere scandium (Sc) i AlN, den elektromekaniske kobling og piezoelektriske koefficient af materialet øges, muliggør en mere effektiv mekanisk-til-elektrisk energiomdannelse. Dette muliggør produktion af meget mere effektive RF-enheder. Imidlertid, ustabiliteten af ​​den piezoelektriske AlScN-krystalfase har hidtil været et problem for industriel brug af materialet, da adskillelse af wurtzite-type AlN og kubisk ScN normalt forekommer under vækst. "Tilbage i 2015, vi kendte potentialet i AlscN, men vi var nødt til at finde de rigtige betingelser for at dyrke det i en stabil og skalerbar proces, " siger Dr. Žukauskaitė, som førte hendes team til succes.

Succesfuld vækst og enhedsudvikling

I løbet af projektet, det lykkedes forskerne ved Fraunhofer IAF at dyrke højkrystallinske AlScN-lag med en bred vifte af sammensætninger op til et Sc-indhold på 41 procent. En god homogenitet af lagene blev opnået over hele silicium (Si) wafer op til 200 mm i diameter, som opfylder kravene til industriel produktion. Udover disse brancherelevante resultater, projektteamet lykkedes også med at realisere en epitaksial vækst på gitter-matchet safir (Al ₂ O ₃ ) substrater gennem en speciel magnetron sputter epitaxy (MSE) metode til afsætning, som vil være nyttige til fremtidig materialeforskning.

Ud over den succesfulde materialeudvikling, forskerne producerede tre generationer af teststrukturer for at demonstrere ydelsen af ​​AlScN tyndfilmene. Implementeringen af ​​MSE til at producere AlScN/Al ₂ O ₃ -baserede resonatorer fører til en elektromekanisk koblingsforøgelse på op til 10 % ved 2 GHz frekvens. I et samarbejde med virksomhederne Evatec og Qualcomm, Der blev også udviklet en ikke-polær AlScN tynd film, der yderligere forbedrer den elektromekaniske kobling af SAW resonatorer. Denne teknologi forskes yderligere, og de første resultater er netop blevet offentliggjort i en videnskabelig artikel.

AlScN til andre applikationer

"Vi ser AlScN som en meget lovende kandidat til at muliggøre fremtidige applikationer, der udnytter den piezoelektriske effekt, såsom sensorteknologier og transistorer med høj elektronmobilitet, " forklarer Dr. Žukauskaitė. Succesen med projektet PiTrans førte til overtagelsen af ​​to yderligere projekter, der involverede AlScN-teknologi hos Fraunhofer IAF. I projektet mAgnes, bredbåndsstrømsensorer som dem, der bruges i e-biler, forskes i; i projektet SALSA, forskerholdet udvikler nye typer omskiftelige, transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT'er). Begge projekter nyder godt af teamets ekspertise inden for AlScN-vækst og AlScN-baseret enhedsudvikling, samt den nødvendige infrastruktur etableret hos Fraunhofer IAF.