基于AIN的壓電器件及其應(yīng)用進(jìn)展綜述

過去二十年間，壓電材料引起了人們的廣泛關(guān)注，很多技術(shù)都利用了壓電材料的關(guān)鍵特性。氮化鋁（AlN）由于具有極化c軸和壓電特性的非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)，并且其制造工藝與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)相兼容，因此使得人們對(duì)其研究和應(yīng)用的興趣迅速增加。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，韓國(guó)機(jī)械材料研究所的研究人員綜述分析了基于AlN的壓電器件的最新進(jìn)展，相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“A Review of the Recent Applications of Aluminum Nitride-Based Piezoelectric Devices”為題發(fā)表在IEEE Access期刊上。該文章對(duì)比了AlN與摻鈧氮化鋁（AlScN）晶體結(jié)構(gòu)及壓電性能的差異，并分析了基于AlN的壓電器件在消費(fèi)、通信、工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

AlN晶體結(jié)構(gòu)

AlN屬于III-V族化合物材料，具有六邊形排列的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。AlN的固有Q因數(shù)及其與CMOS制造工藝的兼容性，是制備實(shí)現(xiàn)體聲波（BAW）諧振器和濾波器的關(guān)鍵特性。壓電器件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的因素是晶體質(zhì)量，晶體質(zhì)量受到壓電層厚度的影響。研究表明，隨著壓電層厚度的增加，壓電應(yīng)變系數(shù)d33性能提升，介電損耗降低。當(dāng)壓電層厚度增加到1 μm時(shí)，厚度的繼續(xù)變化對(duì)AlN薄膜的晶體質(zhì)量影響就很小了。

為了提升AlN的壓電性能，可以通過摻雜各種金屬，例如鈧（Sc）、釩（V）、鈦（Ti）、鉭（Ta）、鎂（Mg）等。在這些金屬中，Sc脫穎而出，研究表明在40% Sc摻雜率的情況下，其壓電性能最多可增加五倍。此外，在與集成光子學(xué)相關(guān)的其他研究領(lǐng)域，這種材料在光學(xué)和熱釋電性能方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

基于AlN的壓電器件應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域

目前，量產(chǎn)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品不僅依賴于超大規(guī)模集成電路（VLSI）器件，而且還需要集成可適用于各種應(yīng)用的壓電器件，例如壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）、MEMS麥克風(fēng)、MEMS揚(yáng)聲器和MEMS能量收集器等。

近些年，研究者們已經(jīng)開發(fā)出了110 × 56的PMUT陣列，能夠?qū)ζつw表皮和皮下進(jìn)行成像。在MEMS麥克風(fēng)研究方面，已實(shí)現(xiàn)了19 mV/Pa的峰值靈敏度。在基于AlN的MEMS揚(yáng)聲器研究方面，已實(shí)現(xiàn)了峰值聲壓級(jí)高達(dá)100 dB，靈敏度為105 dB/mW。此外，研究者們還研制出峰值輸出功率為854.55 μW/cm3/g2的MEMS能量收集器。

圖1 各種基于AIN的PMUT器件示意圖

圖2 各種基于AIN的MEMS麥克風(fēng)示意圖

圖3 各種基于AIN的MEMS揚(yáng)聲器示意圖

圖4 各種基于AIN的MEMS能量收集器示意圖

基于AlN的壓電器件應(yīng)用于通信領(lǐng)域

對(duì)于通信設(shè)備而言，Q因數(shù)是最重要的特性，在射頻信號(hào)中產(chǎn)生高Q因數(shù)往往會(huì)引起非線性效應(yīng)。目前，最主流的射頻濾波器是聲表面波（SAW）濾波器和BAW濾波器。與SAW濾波器相比，BAW濾波器因其高工作頻率、高功率容量和高Q因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)而受到認(rèn)可，適用于更陡峭的濾波器設(shè)計(jì)。此外，與CMOS的高隔離性和AlN兼容性，使BAW濾波器成為射頻通信的主導(dǎo)器件之一。

基于MEMS的諧振器也可以集成到監(jiān)測(cè)壓力、加速度和溫度變化的系統(tǒng)中，并為射頻收發(fā)器過濾特定頻段。目前，低頻應(yīng)用的SAW濾波器主要使用鉭酸鋰（LiTaO?）和鈮酸鋰（LiNbO?）兩大類材料。根據(jù)已有研究顯示，基于AIN的器件主導(dǎo)了高頻段應(yīng)用。此外，通過Sc摻雜，AlScN薄膜的壓電應(yīng)變系數(shù)d??可以顯著增加，因此，AlScN壓電薄膜在新興的薄膜腔聲諧振器（FBAR）領(lǐng)域表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

圖5 用于通信設(shè)備的各種基于AIN的MEMS器件示意圖

基于AlN的壓電器件應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域

目前，各種MEMS壓力傳感器已被用于管理和監(jiān)測(cè)航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)和海洋學(xué)研究等領(lǐng)域的壓力相關(guān)變量。與其它類型的壓力傳感器相比，MEMS壓力傳感器占用空間更小、靈敏度更高、成本更低，且可以將多個(gè)設(shè)備集成在單個(gè)平臺(tái)上。AlN由于具有非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，可以通過在基于極化c軸的施加外部應(yīng)力下產(chǎn)生電位差來(lái)識(shí)別壓力變化，因此可以用作于傳感器來(lái)識(shí)別壓力變化。

圖6 各種基于AlN的MEMS壓力傳感器示意圖

基于AlN的壓電器件應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域

MEMS壓力傳感器具有多方面優(yōu)勢(shì)，利用它可以輕松檢測(cè)到對(duì)物體施加的微小力，例如可用于醫(yī)學(xué)診斷所需的精確讀數(shù)。此外，隨著微加工技術(shù)的最新發(fā)展，高深寬比器件得以實(shí)現(xiàn)，基于這些MEMS器件的醫(yī)療設(shè)備可用于研究冠心病和高血壓等問題，以直接檢測(cè)血壓和血管的波動(dòng)、變化和異常。

近些年，基于AlN的MEMS器件在醫(yī)療診斷領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，研究者們針對(duì)基于AlN的血壓測(cè)量器件，開展了大量研究。然而，在器件的壓電輸出性能方面，目前仍有改進(jìn)的空間。就未來(lái)的應(yīng)用而言，需要進(jìn)一步研究能夠評(píng)估血壓波形以及對(duì)人體器官可進(jìn)行聲學(xué)成像的器件。

圖7 各種基于AIN的MEMS血壓監(jiān)測(cè)器件示意圖

審核編輯：劉清