综述：基于AIN的压电器件及其应用进展

原创 MEMS 2023-08-02 00:01 1368浏览 0评论 0点赞

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过去二十年间，压电材料引起了人们的广泛关注，很多技术都利用了压电材料的关键特性。氮化铝（AlN）由于具有极化c轴和压电特性的非中心对称晶体结构，并且其制造工艺与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术相兼容，因此使得人们对其研究和应用的兴趣迅速增加。

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国机械材料研究所的研究人员综述分析了基于AlN的压电器件的最新进展，相关研究内容以“A Review of the Recent Applications of Aluminum Nitride-Based Piezoelectric Devices”为题发表在IEEE Access期刊上。该文章对比了AlN与掺钪氮化铝（AlScN）晶体结构及压电性能的差异，并分析了基于AlN的压电器件在消费、通信、工业和医疗领域的应用进展及未来发展趋势。

AlN晶体结构

AlN属于III-V族化合物材料，具有六边形排列的纤锌矿结构。AlN的固有Q因数及其与CMOS制造工艺的兼容性，是制备实现体声波（BAW）谐振器和滤波器的关键特性。压电器件设计中最关键的因素是晶体质量，晶体质量受到压电层厚度的影响。研究表明，随着压电层厚度的增加，压电应变系数d33性能提升，介电损耗降低。当压电层厚度增加到1 μm时，厚度的继续变化对AlN薄膜的晶体质量影响就很小了。

为了提升AlN的压电性能，可以通过掺杂各种金属，例如钪（Sc）、钒（V）、钛（Ti）、钽（Ta）、镁（Mg）等。在这些金属中，Sc脱颖而出，研究表明在40% Sc掺杂率的情况下，其压电性能最多可增加五倍。此外，在与集成光子学相关的其他研究领域，这种材料在光学和热释电性能方面均表现出优异的性能。

基于AlN的压电器件应用于消费领域

目前，量产的消费类电子产品不仅依赖于超大规模集成电路（VLSI）器件，而且还需要集成可适用于各种应用的压电器件，例如压电式微机械超声换能器（PMUT）、MEMS麦克风、MEMS扬声器和MEMS能量收集器等。

延伸阅读：
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《MEMS扬声器专利态势分析-2022版》

近些年，研究者们已经开发出了110 × 56的PMUT阵列，能够对皮肤表皮和皮下进行成像。在MEMS麦克风研究方面，已实现了19 mV/Pa的峰值灵敏度。在基于AlN的MEMS扬声器研究方面，已实现了峰值声压级高达100 dB，灵敏度为105 dB/mW。此外，研究者们还研制出峰值输出功率为854.55 μW/cm³/g²的MEMS能量收集器。

图1 各种基于AIN的PMUT器件示意图

图2 各种基于AIN的MEMS麦克风示意图

图3 各种基于AIN的MEMS扬声器示意图

图4 各种基于AIN的MEMS能量收集器示意图

基于AlN的压电器件应用于通信领域

对于通信设备而言，Q因数是最重要的特性，在射频信号中产生高Q因数往往会引起非线性效应。目前，最主流的射频滤波器是声表面波（SAW）滤波器和BAW滤波器。与SAW滤波器相比，BAW滤波器因其高工作频率、高功率容量和高Q因数等优点而受到认可，适用于更陡峭的滤波器设计。此外，与CMOS的高隔离性和AlN兼容性，使BAW滤波器成为射频通信的主导器件之一。

基于MEMS的谐振器也可以集成到监测压力、加速度和温度变化的系统中，并为射频收发器过滤特定频段。目前，低频应用的SAW滤波器主要使用钽酸锂（LiTaO₃）和铌酸锂（LiNbO₃）两大类材料。根据已有研究显示，基于AIN的器件主导了高频段应用。此外，通过Sc掺杂，AlScN薄膜的压电应变系数d₃₃可以显著增加，因此，AlScN压电薄膜在新兴的薄膜腔声谐振器（FBAR）领域表现出更大的优势。

图5 用于通信设备的各种基于AIN的MEMS器件示意图

基于AlN的压电器件应用于工业领域

目前，各种MEMS压力传感器已被用于管理和监测航空航天、汽车、生物医学和海洋学研究等领域的压力相关变量。与其它类型的压力传感器相比，MEMS压力传感器占用空间更小、灵敏度更高、成本更低，且可以将多个设备集成在单个平台上。AlN由于具有非中心对称的晶体结构，可以通过在基于极化c轴的施加外部应力下产生电位差来识别压力变化，因此可以用作于传感器来识别压力变化。

图6 各种基于AlN的MEMS压力传感器示意图