开发满足企业需求的氮化物基压电材料，瞄准巨大市场

开发满足企业需求的氮化物基压电材料，瞄准巨大市场

2020/01/31

响应企业要求开发氮化物基压电材料 瞄准巨大市场 在材料领域创建新的研究领域

2020年，下一代通信标准5G将在日本开始运营，但这对于先进通信设备至关重要体声波 (BAW) 滤波器已使用高性能压电材料目前的高性能压电材料在氮化铝中添加了稀土元素，但在产业技术研究院，无需使用稀土即可实现高性能的压电材料之开发成功未来，预计不仅可用于通信设备的BAW滤波器，还可用于指纹认证等传感器网络。

实现5G商业化的零部件和材料

　2020年，日本将推出新的通信标准5G服务。 5G使用了比4G更高的频段，增加了一定时间内的振动次数，增加了无线电波承载的信息量，使得在相同的时间内发送比以前更多的信息成为可能。过去30年信息传输速度提高了约10万倍，但与4G相比，5G的通信速度将快100倍。为了实现这些目标，提高材料和零件的性能至关重要。

BAW 滤波器的性能由压电材料决定

　5G 中使用的通信设备的基本组件之一是高频滤波器（它有效地通过必要的频段并阻止其他频段）。可以毫不夸张地说，在高频下表现出色的BAW滤波器的性能是由压电材料决定的。

压电是一种当对材料施加压力（机械刺激）时，会出现与压力成比例的表面电荷的现象。压电材料是具有将机械能转换为电能，或者相反，将电能转换为机械能的特性的材料。压电材料对于手表、计算机、通信设备和其他设备来说是必不可少的，并且单个设备包含许多使用压电材料的部件。

　BAW滤波器具有简单的结构，其中下电极、压电材料和上电极堆叠在硅基板上，唯一有改进空间的是压电材料。因此，如果能够制造出更好的压电材料，滤波器的性能将会提高。

　制造技术研究部的秋山与上原等公司共同开发的压电材料目前引起了世界各地的广泛关注。这是“添加镁、铌的氮化铝”，不使用稀土，而是使用廉价且容易获得的元素，实现了世界最高水平的压电性。

■BAW滤波器结构

智能手机中使用的新型压电材料

　故事要追溯到2000年代。秋山原本是氮化物压电材料的研究员，从2000年代初开始与汽车零部件制造商共同研究汽车燃烧压力传感器。制造商的要求之一是“是否可以提高氮化铝薄膜的压电性？”

　当时，氧化物是最常见的高压材料，几乎没有人在研究提高氮化物的压电性。当我被要求这样做时，我一半是焦虑，一半是希望，想知道是否真的可以做这样的事情。

秋山和他的同事开始研究改善压电性，尽管他们认为这是鲁莽的。由于之前几乎没有任何研究，他不知道在什么条件下可以将哪些元素添加到氮化物中以改善其物理性能，因此他详尽地寻找可能的元素。

　我用普通元素没有得到很好的结果，也没有什么可以尝试的，所以考虑到它们未来的实际应用，我不想使用它们，但我尝试了钪，一种稀土。通过在氮化铝中添加钪，压电性得到了很大的提高。压电常数从6 pC/N增加到28 pC/N。

　那是2007年，找到了一种好材料，联合研究公司很高兴，但最终这种材料还没有用于汽车零部件。

　然而，2013年，德国弗劳恩霍夫研究所进行了后续实验，并在国际学术会议上宣布，他们获得了与秋山等人实验类似的结果，这种材料再次引起了世界各地的关注。

　后来参与这项研究的上原评论道：“因此，世界各地的研究人员开始不仅关注添加钪制成的材料本身，而且开始关注氮化物压电材料的潜力。秋山的发现可以说开创了材料世界的新研究领域。”

　当时，正在相互竞争开发5G技术的电信行业注意到了这一点。电子元件制造商很早就发现了其作为 BAW 滤波器材料的潜力，并开始与 AIST 联合研究以评估其性能。在确认了掺钪氮化铝薄膜的高压特性后，他们实际上制作了原型BAW滤波器，并在2013年的国际会议上宣布其达到了预期的性能。

随后，一家在全球 BAW 滤波器市场拥有巨大市场的电子零件制造商在其 BAW 滤波器中采用了这种材料。因此，AIST开发的材料将被纳入智能手机中。

　BAW 滤波器包含不到 20 个功能部件，每个单元包含其中四个部件。换句话说，一部智能手机使用多达 70 至 80 个 BAW 滤波器。

　全球智能手机销量为 14 亿部，因此如果电子元件制造商的市场占 50%，仅去年一年就生产了约 500 亿个 BAW 滤波器。世界各地的人们 由于世界上有 77 亿人口，这意味着全世界人民手中有 6 个滤波器。材料不能起主导作用，但它们可以被这么多人使用。这就是材料的力量。”（秋山）

使用廉价的镁和铌开发无稀土压电材料

掺杂钪的氮化铝薄膜已被广泛使用，但仍然存在一个问题。钪是一种稀土。虽然性能良好，但由于担心成本和稳定供应，各公司要求开发使用其他元素的压电材料。

　为了回应这种声音，AIST继续在各种条件下添加各种元素并评估其物理性能。然而，要获得超过钪的物理性能是很困难的。现实情况是它比实际情况要低得多。

当时，一家日本电子元件制造商通过在氮化铝中同时添加镁和氧化锆两种元素，成功地创造出了比以前更好的压电性。然而，压电常数约为12 pC/N，低于钪的28 pC/N。然而，这个值确实比迄今为止尝试过的其他元素要高得多。

　让我惊讶的是同时添加两个元素的想法。镁和氧化锆是单独使用时无法提供良好值的元素，因此我没想到共同添加会将物理性能提高到这种程度。”（秋山）

受此启发，秋山和他的同事立即开始与公司一起探索使用联合添加的材料。

　在早期阶段，确定共同添加的材料之一是镁。选择另一个元素需要时间。与第 4 族过渡金属氧化锆相反，我们决定以第 5 族金属元素为目标，并选择铌。这个选择并没有错。当使用三维同时反应溅射方法将镁和铌共同添加到氮化铝中时，压电性得到显着改善。

　在改变压力、温度和两种元素的组成比的同时，Uehara 等人。寻找最佳制造条件，2016年发现当镁和铌的添加总量约为065时，压电常数提高到22 pC/N，接近钪。

　通过使用廉价的元件实现高压电，可以说不使用稀土的氮化物压电材料的应用终于有望实现。”（上原）

提高压电性，扩大应用范围

压电材料不仅用于 BAW 滤波器。例如，麦克风。目前的主流麦克风是电容式麦克风，但人们认为，具有更高灵敏度和更低功耗的压电式麦克风未来将会增长。压电麦克风已经在美国开始销售。 AIST还将瞄准麦克风材料，这些材料未来的市场潜力巨大。

　另一个主要目标是指纹传感器。这是一种已经安装在智能手机和其他设备中的认证技术，但目前主流传感器将指纹识别为图像并进行认证，因此存在仅使用高精度照片就可以破解认证的风险。

　因此，我们正在进行研究，通过使用超声波读取指纹的不均匀性来创建 3D 地图并将其处理为三维信息，以提高安全性。我们相信我们的压电材料也可以应用于此类应用。”（Akiyama）

　改善压电性和通过振动有效产生电能的能力也是扩大压电材料用途的重要点。

　目前，设备异常诊断是通过连接许多传感器的网络来诊断的，例如工厂生产设备和土木工程基础设施，但问题在于传感器的供电。管理数百或数千个传感器中每个传感器的电源非常耗时。然而，传感器不一定位于人们可以维护的区域。例如，汽车轮胎压力传感器安装在轮胎内部，因此很难更换电池。使用压电材料通过振动能量发电将是一个巨大的优势。”Akiyama 说。

　正如前面提到的，开发超越氧化物和氮化物之间界限的高性能压电材料的动力是汽车零部件制造商的要求，而这样的公司的要求给了AIST以支持。同时添加两个元素的想法也是我们从一家公司学到的。

　企业的意见激励着我们，成为主要的推动力。事实上，企业的要求促使我们共同研究，氮化铝钪诞生了，现在引起了人们的关注。我们想听听您的意见，了解社会和市场正在发生什么，问题是什么，以及您在哪里遇到困难。我们将尽力回应。''（上原）

　为了赢得企业的信任，我们将不断提高技术和研究能力。让我们建立良好的信任关系，共同推进我们的研究。”（秋山）

　我们希望将起源于日本的氮化物压电材料技术从日本传播到世界各地。带着这个想法，两人将继续探索压电材料并提高其性能。