5G mobiele dataoverdracht vereist het gebruik van meer en hogere frequentiebereiken, die allemaal op één mobiel apparaat moeten worden ondergebracht. Dus, de eisen aan radiofrequentie (RF) componenten worden steeds hoger. Het Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF heeft nieuwe, compact, en energiezuinige hoogfrequente/hoge bandbreedte RF-filters om aan die behoeften te voldoen. Tijdens het project PiTrans, de onderzoekers zijn erin geslaagd om aluminiumscandiumnitride (AlScN) te kweken met de vereiste industriële specificaties en om nieuwe elektro-akoestische apparaten voor smartphones te realiseren.

Het aantal RF-componenten dat in een enkele smartphone is ingebouwd, is de afgelopen jaren aanzienlijk toegenomen, en er is geen einde in zicht. Voorspelling van deze trend in 2015, het project "PiTrans—Ontwikkeling van AlScN-lagen voor de volgende generatie piëzo-elektrische RF-filters" had tot doel verbeterde RF-piëzo-transducers te ontwikkelen en te produceren met ternaire op AlN gebaseerde nitriden als de piëzo-actieve laag. Binnen de vijf jaar van het project, de onderzoekers zijn erin geslaagd om zeer kristallijne AlScN-lagen te laten groeien en om oppervlakte akoestische golf (SAW) resonatoren te realiseren die voldoen aan de toenemende eisen van de industrie. Voor de groei van het materiaal, wat ook veelbelovend is voor andere vermogenselektronische toepassingen, een moderne magnetron-sputteren infrastructuur werd opgericht bij Fraunhofer IAF.

Potentieel en uitdagingen van AlScN

Tot op de dag van vandaag, AlScN blijft het meest veelbelovende nieuwe materiaal ter vervanging van conventioneel aluminiumnitride (AlN) in RF-filtertoepassingen in mobiele telefoons. Door scandium (Sc) in AlN te introduceren, de elektromechanische koppeling en piëzo-elektrische coëfficiënt van het materiaal wordt verhoogd, waardoor een efficiëntere mechanische-naar-elektrische energieconversie mogelijk wordt. Dit maakt de productie van veel efficiëntere RF-apparaten mogelijk. Echter, de instabiliteit van de piëzo-elektrische AlScN-kristalfase is tot nu toe een probleem geweest voor industrieel gebruik van het materiaal, aangezien segregatie van wurtziet-type AlN en kubisch ScN gewoonlijk optreedt tijdens de groei. "In 2015 we kenden het potentieel van AlscN, maar we moesten de juiste omstandigheden vinden om het te laten groeien in een stabiel en schaalbaar proces, " zegt Dr. Žukauskaitė, die haar team naar succes leidde.

Succesvolle groei en apparaatontwikkeling

In de loop van het project, de wetenschappers van Fraunhofer IAF zijn erin geslaagd om zeer kristallijne AlScN-lagen te kweken met een breed scala aan samenstellingen tot een Sc-gehalte van 41 procent. Een goede homogeniteit van de lagen werd bereikt over de gehele silicium (Si) wafer tot 200 mm in diameter, die voldoet aan de eisen van industriële productie. Naast deze brancherelevante resultaten, het projectteam slaagde er ook in een epitaxiale groei te realiseren op rooster-gematchte saffier (Al ₂ O ₃ ) substraten door middel van een speciale magnetron sputter epitaxie (MSE) methode van afzetting, die nuttig zullen zijn voor toekomstig materiaalonderzoek.

Naast de succesvolle materiaalontwikkeling, de onderzoekers produceerden drie generaties teststructuren om de prestaties van de dunne AlScN-films aan te tonen. De implementatie van MSE om AlScN/Al . te produceren ₂ O ₃ -gebaseerde resonatoren leiden tot een elektromechanische koppelingstoename tot 10% bij 2 GHz-frequentie. In samenwerking met de bedrijven Evatec en Qualcomm, er werd ook een niet-polaire AlScN dunne film ontwikkeld die de elektromechanische koppeling van SAW-resonatoren verder verbetert. Deze technologie wordt verder onderzocht, en de eerste resultaten zijn onlangs gepubliceerd in een wetenschappelijk artikel.

AlScN voor andere toepassingen

"We zien AlScN als een veelbelovende kandidaat om toekomstige toepassingen mogelijk te maken die profiteren van het piëzo-elektrische effect, zoals sensortechnologieën en transistors met hoge elektronenmobiliteit, " legt Dr. Žukauskaitė uit. Het succes van het project PiTrans leidde tot de overname van twee andere projecten met AlScN-technologie bij Fraunhofer IAF. In het project mAgnes, breedband stroomsensoren zoals die worden gebruikt in e-auto's worden onderzocht; in het project SALSA, het onderzoeksteam ontwikkelt nieuwe soorten schakelbare, high-electron-mobility transistors (HEMT's). Beide projecten profiteren van de expertise van het team op het gebied van AlScN-groei en op AlScN gebaseerde apparaatontwikkeling, evenals de noodzakelijke infrastructuur bij Fraunhofer IAF.