- 通过引入镥 (Lu) 作为底层，我们成功地提高了添加高浓度钪 (Sc) 的 ScAlN 的结晶度
- 通过增加Sc固溶体的量，实现氮化铝薄膜中世界最高的压电常数
- 为提高智能手机中使用的弹性波滤波器的性能做出贡献
本研究得到的ScAlN的压电常数（左）和薄膜结构示意图（右）
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）传感系统研究中心 Kenji Hirata，高级研究员，Morito Akiyama，首席研究员，Anggraini Sri Ayu，高级研究员 Yasushi Tabura，研究员 Masato Uehara，高级研究员 Hiroshi Yamada，国立材料科学研究所团队负责人 Niitsu Kodai，国立材料科学研究所 独立研究人员的研究团队是弹性波滤波器压电材料的性能。
对于智能手机等无线通信设备，需要提取特定频段的信号频率滤波器已安装。声波滤波器是目前主流的滤波器类型之一，其内部装有压电材料制成的薄膜，薄膜的压电性能影响着可提取信号的频段。未来，随着通信系统的发展，预计将需要支持更高频段的弹性波滤波器，并且需要提高薄膜的压电性能。
目前，在氮化铝（AlN）中添加钪（Sc）制成的ScAlN薄膜由于其高压电性能而被广泛用作声波滤波器的压电材料。为了提高ScAlN的压电性能，需要将Sc以高浓度溶解在AlN中，但Sc很难与AlN混合，因此无法达到模拟预测的压电性能。
这次我们在ScAlN薄膜中引入镥(Lu)金属作为底层，提高Sc固溶量，达到355 pC/N，为氮化铝压电材料全球最高压电常数这种研究方法和知识的使用有望显着提高高频通信中使用的弹性波滤波器的性能。
该技术的详细信息将于 2025 年 1 月 15 日发布。今日材料
近年来，使用智能手机和其他设备的无线通信已经开始使用更高的频段，对支持这一频段的频率滤波器的需求也随之增加。声波滤波器是频率滤波器的一种，使用压电材料，高频段通信需要高压性能。氮化铝（AlN）具有压电特性，具有高声速和Q值。人们发现，这种在AlN中添加Sc的材料（ScAlN）极大地提高了压电性能，并且已作为智能手机中经常安装的弹性波滤波器投入实用。随着未来通信方式的发展，为了制造支持更高频段（数GHz或更高）的设备，进一步提高ScAlN等材料的压电性能并制造可在高频下使用的弹性波滤波器将变得非常重要。
到目前为止第一性原理计算的模拟，预测当AlN中溶解60至70 mol%的Sc时，ScAlN的压电常数将增加至纯AlN的10倍。然而，Sc具有难以与AlN混合的特性，并且Sc浓度越高，材料的稳定性越低。因此，在含有高浓度Sc(43mol％以上)的ScAlN薄膜中，难以维持发挥压电性能所需的高结晶度和取向。因此，传统的反应溅射薄膜制造在进一步提高ScAlN的压电性能方面已经达到了极限。为了制造兼容高频段的弹性波滤波器，需要一种技术来改善含有高浓度Sc的ScAlN的结晶度和取向。
AIST 与 DENSO Corporation 合作，在世界上率先开发出具有高压电性能的 ScAlN 薄膜。2008 年 11 月 21 日 AIST 新闻稿）。这次，通过将与ScAlN具有相同晶体结构的镥（Lu）金属作为底层引入到ScAlN薄膜中，我们能够抑制ScAlN薄膜生长过程中结晶度和取向的下降，扩大Sc固溶体的量，并获得高压电常数。
请注意，这项研究和开发得到了日本学术振兴会青年研究资助金“扩大 AlN 基压电薄膜固溶度极限的研究”（项目编号：21K14503）、科学研究资助金（B）“通过操作 XAS 研究局部结构和元素物理性质，以接近多组分高压电的现实”的支持氮化物” 科研资助项目（B）“氮化物压电薄膜微结构设计策略的建立”（项目编号：24K01592）。
在这项研究中，我们在制造 ScAlN 薄膜时引入了镥 (Lu) 金属作为底层，并尝试提高具有压电特性的纤锌矿相的结晶度和取向。纤锌矿相是由如图1所示的纤锌矿结构组成的晶相六方晶系由于Lu具有与纤锌矿结构相似的六方晶体结构（图1），因此我们预计高浓度Sc的添加会起到促进ScAlN结晶度和取向维持的作用。
图1 ScAlN的纤锌矿结构和Lu的六方密排结构
在 ScAlN（左）中，灰色球体被认为是 Sc 和 Al，红色球体被认为是 N。
结果，AlN中Sc固溶量已提高至508mol%，而之前认为Sc固溶量最大为43mol%。所制备薄膜横截面结构的电子显微照片表明，引入 Lu 底层的 ScAlN 薄膜中纤锌矿结构的结晶度和取向得到了改善（图 2）。当我们实际测量这些薄膜的压电常数时，我们成功获得了355 pC/N的压电常数，这大大刷新了2018年报告的Sc固溶体含量为41 mol%时316 pC/N的记录（图3）。该值比没有Lu底层时更接近第一性原理计算预测的值，表明ScAlN潜在的压电性能可以发挥出来。还可以看出，与其他 AlN 基压电材料相比，它具有最高的压电常数（图 4）。迄今为止，人们认为通过增加ScAlN中溶解的Sc量来提高压电常数是有限的，因为用含有大量固溶Sc的ScAlN很难获得具有高结晶度和取向的薄膜。然而，已经表明，通过改进薄膜制造来提高性能还有空间。
图2 ScAlN薄膜横截面结构的电子显微照片（左：无Lu底层，右：有Lu底层）。在上面的照片中，可以看到 ScAlN 晶体几乎垂直于 Si 衬底生长，无论是否存在 Lu 底层。照片中间的颜色代表原子排列的间距，可以看出Lu底层的引入改善了ScAlN层中原子的均匀排列。照片底部的颜色表示晶体倾斜的方向，Lu底层的引入增强了ScAlN层中晶体沿均匀方向排列的趋势。照片中的比例尺代表长度 200 nm。
*原始论文中的数字被引用或修改。
图3 本研究获得的ScAlN薄膜的压电常数与过去的实验值和第一性原理计算的预测值的比较
*原始论文中的数字被引用或修改。
图4 添加元素X的AlN中最大固溶量与压电常数之间的关系（典型报告值表示出版年份）。另外，还示出了添加两种元素作为X元素的AlN。
*原始论文中的数字被引用或修改。
本研究中发现的结果有望用于提高高频通信中使用的弹性波滤波器的性能。此外，AlN正在考虑利用其压电特性用于自动驾驶所必需的距离传感器，并有可能用作提高传感器灵敏度的材料。今后，我们将着眼于实际操作进行技术开发，例如优化薄膜的厚度，以期在这些设备中实际使用。此外，我们计划推进将高浓度 Sc 融入 ScAlN 薄膜的技术，并将其开发到其他材料系统中。
已出版的杂志：今日材料
论文标题：通过界面工程增强氮化物薄膜的压电性能
作者：Kenji Hirata、Kodai Niitsu、Sri Ayu Anggraini、Taisuke Kageura、Masato Uehara、Hiroshi Yamada、Morito Akiyama
DOI：101016/jmattod202412011