5G mobila dataöverföringar kräver användning av fler och högre frekvensområden, som alla måste rymmas i en enda mobil enhet. Således, kraven på radiofrekvenskomponenter (RF) ökar ständigt. Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har utvecklat nya, kompakt, och energieffektiva RF-filter med hög frekvens/hög bandbredd för att möta dessa behov. Under projektet PiTrans, forskarna har lyckats odla aluminiumskandiumnitrid (AlScN) med de nödvändiga industriella specifikationerna och förverkliga nya elektroakustiska enheter för smartphones.

Antalet RF -komponenter inbyggda i en enda smartphone har ökat betydligt under de senaste åren, och det finns inget slut i sikte. Förutsäger denna trend under 2015, projektet "PiTrans—Utveckling av AlScN-lager för nästa generations piezoelektriska RF-filter" syftade till att utveckla och producera förbättrade RF piezo-omvandlare med ternära AlN-baserade nitrider som det piezoaktiva skiktet. Inom fem år av projektet, forskarna lyckades odla högkristallina AlScN-skikt och realisera ytresonatorer för akustiska vågor (SAW) som uppfyller industrins ökande krav. För materialets tillväxt, vilket också är lovande för andra kraftelektroniktillämpningar, en modern magnetronsprutande infrastruktur etablerades vid Fraunhofer IAF.

Potential och utmaningar med AlScN

Till denna dag, AlScN är fortfarande det mest lovande nya materialet för att ersätta konventionell aluminiumnitrid (AlN) i RF-filterapplikationer inuti mobiltelefoner. Genom att introducera scandium (Sc) i AlN, den elektromekaniska kopplingen och piezoelektriska koefficienten för materialet ökas, möjliggör en effektivare mekanisk-till-elektrisk energiomvandling. Detta möjliggör produktion av mycket effektivare RF-enheter. Dock, instabiliteten i den piezoelektriska AlScN -kristallfasen har hittills varit ett problem för industriell användning av materialet, eftersom segregering av wurtzite-typ AlN och kubisk ScN vanligtvis sker under tillväxt. "År 2015, vi kände till potentialen hos AlscN, men vi behövde hitta de rätta förutsättningarna för att odla den i en stabil och skalbar process, "säger Dr Žukauskaitė, som ledde hennes team till framgång.

Framgångsrik tillväxt och enhetsutveckling

Under projektets gång, forskarna vid Fraunhofer IAF lyckades odla högkristallina AlScN-skikt med ett brett utbud av sammansättningar upp till en Sc-halt på 41 procent. En god homogenitet av skikten uppnåddes över hela kisel (Si) -skivan upp till 200 mm i diameter, som uppfyller industriproduktionens krav. Förutom dessa branschrelevanta resultat, projektgruppen lyckades också realisera en epitaxiell tillväxt på gittermatchad safir (Al ₂ O ₃ ) substrat genom en speciell magnetron sputter epitaxi (MSE) metod för deponering, vilket kommer att vara användbart för framtida materialforskning.

Förutom den framgångsrika materialutvecklingen, forskarna producerade tre generationer av teststrukturer för att demonstrera prestandan hos AlScN-tunna filmer. Implementeringen av MSE för att producera AlScN/Al ₂ O ₃ -baserade resonatorer leder till en elektromekanisk kopplingsökning på upp till 10% vid 2 GHz -frekvens. I ett samarbete med företagen Evatec och Qualcomm, en opolär AlScN-tunnfilm utvecklades också som ytterligare förbättrar den elektromekaniska kopplingen av SAW-resonatorer. Denna teknik forskas vidare, och de första resultaten har nyligen publicerats i en vetenskaplig artikel.

AlScN för andra applikationer

"Vi ser AlScN som en mycket lovande kandidat för att möjliggöra framtida tillämpningar som drar nytta av den piezoelektriska effekten, såsom sensorteknologi och transistorer med hög elektronmobilitet, "förklarar Dr Žukauskaitė. Framgången för projektet PiTrans ledde till förvärvet av ytterligare två projekt som involverar AlScN -teknik vid Fraunhofer IAF. I projektet mAgnes, bredbandsströmsensorer som de som används i e-bilar undersöks; i projektet SALSA, forskargruppen utvecklar nya typer av omkopplingsbara, transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT). Båda projekten gynnas av teamets expertis inom AlScN-tillväxt och AlScN-baserad enhetsutveckling, samt den nödvändiga infrastrukturen som etablerats vid Fraunhofer IAF.