5G射频前端模组的新型压电材料AlScN，已悄然现身于iPhone 11
2020-04-04 16:10:22 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
PiTrans项目则致力“开发用于下一代压电射频滤波器所需的AlScN材料”，在AlN里掺入第三种元素作为压电有源层，用此材料开发并生产压电射频滤波器和传感器。
据麦姆斯咨询介绍，5G移动数据传输将越来越多的频段集成于智能手机，因此需要的射频（RF）元器件及模组数量不断增加。为满足5G时代的需求，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）开创性地开发出一种低功耗、高频、高带宽、紧凑的射频滤波器（RF filter）。这归功于在PiTrans项目期间，研究人员成功完成了满足行业规格的掺钪氮化铝（AlScN）材料制备，为用于智能手机的新型滤波器提供了一种新思路。
其实，据System Plus Consulting最新发布的报告《苹果iPhone 11系列中的射频前端模组：博通AFEM-8100》，苹果iPhone 11系列采用了创新的射频前端模组AFEM-8100。这款中频和高频LTE射频前端模组集成了多颗芯片，包括功率放大器、绝缘体上硅（SOI）开关和薄膜体声波谐振器（FBAR）滤波器。该滤波器仍采用了Avago的Microcap键合晶圆芯片级封装（CSP）技术，通过硅通孔（TSV）实现电气接触，使用的压电材料就是AlScN。
在硅上AlScN（左）和蓝宝石上AlScN（右）晶圆上制造的声表面波（SAW）谐振器
近年来，每部智能手机中的射频元器件数量已大大增加，而且还将继续增加。早在2015年业界就做出了这种预测，PiTrans项目则致力“开发用于下一代压电射频滤波器所需的AlScN材料”，在AlN里掺入第三种元素作为压电有源层，用此材料开发并生产压电射频滤波器和传感器。在该项目进行的五年期间，研究人员成功地生长出高度结晶的AlScN层，性能足以满足行业对表面声波（SAW）谐振器不断提高的要求。这种材料还有希望用于其它电力电子应用，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所已为此完成了先进磁控溅射基础设施的配置。
AlScN：压电材料最佳候选者的坎坷诞生历程
时至今日，AlScN仍是最有希望替代智能手机中射频滤波器所用氮化铝（AlN）的新材料。通过在AlN中掺入钪（Sc），可以提高材料的机电耦合系数和压电系数，实现更有效的机械能-电能转换，从而提高射频元器件的工作效率。然而，纤锌矿型结构AlN和立方结构ScN通常会在生长过程出现分离，因此压电AlScN晶相的不稳定性一直是阻碍该材料商用的主要问题。“早在2015年，我们就知道AlScN的潜力。但我们需要找到合适的生长条件，得到稳定且可量产的工艺。”带领团队取得成功的Žukauskaitė博士说。
成功开发出新材料和新型射频器件
在项目的开展中，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的科学家设法生长出高度结晶的AlScN，Sc含量最高可达41%。即使在直径为200mm的硅晶圆上，也能实现良好的薄膜均匀性，可满足工业生产的要求。此外，团队还通过特殊的磁控溅射外延（MSE）沉积方法成功地在晶格匹配的蓝宝石（Al2O3）衬底上实现了外延生长，这对将来的材料研究也非常有用。
不仅成功开发了新材料，研究人员还开发了三代测试结构，用以证明AlScN薄膜的性能。利用MSE方法生产的蓝宝石上AlScN谐振器工作在2GHz频率时，机电耦合系数提高了10%。团队还与Evatec、Qualcomm（高通）等企业合作，开发了非极性AlScN薄膜，该薄膜进一步改善了声表面波（SAW）谐振器的机电耦合系数。
这项技术正在进一步研究中，最新结果已对外发表（参考链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5129329）。
其它传感器和功率器件同样受益
Žukauskaitė博士解释说：“在未来的压电应用领域，如传感器和高电子迁移率晶体管，AlScN是非常有前途的候选者。”PiTrans项目的成功让德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的另外两个涉及AlScN技术的项目也直接受益。mAgnes项目正在研究用于电动汽车等的宽频带电流传感器。在SALSA项目中，研究团队正在开发新型的可切换高电子迁移率晶体管（HEMT）。这两个项目都受益于PiTrans团队在AlScN材料生长技术和基于AlScN材料的器件开发方面的专业知识，以及德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所建立的必要基础设施。
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