氮化铝拍了拍钪 | 第三代半导体华丽转身

2021年8月底，与碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）齐名的氮化铝（AlN）掺钪（Sc，scandium）研究项目获得了德国联邦教育和研究部（BMBF）发起的“节能信息和通信技术电子学（GreenICT）”创新竞赛第二名。研发项目是弗劳恩霍夫协会（IAF）的基于氮化铝钪（AlScN）的5G基站高频放大器用新型功率半导体。近年来，AlScN之所以让人们趋之若鹜，是因为其功率密度和增益至少比当前最接近的竞争者高了一倍。

5G基站的功耗挑战

在5G基站中，功率放大器（PA）将成倍增加。而影响基站功耗的主要因素有：PA功耗、漏电功耗和芯片功耗。其中PA是最耗电、效率最低的器件，有统计指出约一半的基站功耗来自PA。

图源 | Telecom Daily Post

获奖项目名为“EdgeLimit”（意为现代边缘云系统的电力电子器件评估），合作研发者是弗莱堡大学（University of Freiburg）可持续系统工程系（INATECH）、诺基亚贝尔实验室、United Monolithic Semiconductors、德国电信公司等。该项目提出在5G基站的高频放大器中使用基于AlScN的26-34GHz毫米波新型功率半导体。

IAF国际宇航联合会副主任兼节能射频电子学教授Rüdiger Quay博士解释说：“在网络层面，使用基于AlScN的器件，通过传输模块和天线的智能联网以及基于需求的控制，可以节省大量能源，例如，在工厂网络中或将视频快速传输到汽车中。”

获奖团队现在可以向BMBF提出继续其在比赛中设计的研究项目，以获得1200万欧元的资金。

AlN是第三/四代半导体材料

AlN是第三代/第四代半导体材料的一种，其薄膜具有高电阻率、高热导率、高稳定性及高声波传输速率等优异的物理性能，在高温、高压、高频等条件下性能尤为显著，是当今最受关注的新型半导体材料之一。

AlN晶圆是高功率、高频电子器件及紫外探测器、紫外激光和深紫外LED等光电子器件最优秀的衬底材料，在国防、航空航天、保密通信/无线通信、芯片制造、环保、生物医疗等尖端科技领域具有广泛的应用前景，也是我国正在重点突破的关键战略新材料。

由于AlN材料在1200℃的高温下依然能够保持压电特性，所以AlN压电薄膜器件可以适应高温工作环境，而良好的化学稳定性也使其能够适应腐蚀性的工作环境。此外，AlN薄膜材料可以在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底及各种金属底电极材料上择优生长，在光电器件、电子元器件及MEMS等领域正得到广泛应用。

在已知滤波器压电材料中，AlN薄膜声波传播速度可达12000m/s（传统衬底材料低于4000m/s）。由于同时具有良好的化学和热稳定性，以及对外界环境如压力、温度、应力、气体等具有极高的灵敏性，且与常规硅基CMOS技术相兼容，AlN薄膜是5G高频SAW/BAW滤波器及MEMS传感器中最优秀的压电材料。特别是掺钪的AlN薄膜能大幅提升其压电系数，从而提高SAW/BAW的机电耦合系数，是新一代5G射频SAW/BAW滤波核心压电/衬底材料。

硅上AlScN（左）和蓝宝石上AlScN晶圆制造的SAW谐振器

由于AlN单晶生长装备及生长工艺具有极高的技术壁垒及其在军事、航空航天等领域的应用价值，欧美等国各种尺寸的AlN晶圆衬底全部对中国禁运。

为什么要掺钪？

至于为什么要掺钪，我们回到2019年。当时IAF的科学家们实现了以前认为不可能实现的目标：首次通过MOCVD（金属有机化学气相沉积）成功制备出了AlScN薄膜。这一突破为基于AlScN的下一代电力电子器件开创了先河，朝着基于AlScN晶体管的工业应用目标迈出了决定性的一步。

此前的研究证明，基于AlScN的晶体管在数据传输、卫星通信、雷达系统或自动驾驶等各种应用中前景广阔，特别是因为基于硅的器件在这些应用中正达到其物理极限。其主要原因是受摩尔定律限制，硅器件的尺寸已不能再减小，如果必须使用当前的硅技术处理不断增加的数据量，服务器机房将占用太大的面积，以至于在经济和生态上都无法维护。

于是，出现了所谓的HEMT（高电子迁移率晶体管），它是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）。上世纪70年代采用MBE（分子束外延）和MOCVD就制备出了异质结。直到1980年，富士通的三村隆史（Takashi Mimura）等人才发明了HEMT。HEMT结构成功的关键在于其所基于的材料。在AlN制备过程中掺杂钪生长的AlScN具有优异的性能，比其他材料具有更高的载流子浓度。未来，基于AlScN将实现更强大、更高效的HEMT。

根本性的挑战

毋庸置疑，AlScN是迄今为止最有前途的新材料，可以为AlN锦上添花。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。不过，高钪原子浓度的压电AlScN晶体相的不稳定性一直是工业上的一个问题，因为在生长过程中通常会出现从纤锌矿型结构到立方盐结构的相变，导致分离。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。

由于质量和生产方面的原因，IAF以前的制造过程都以失败告终。之前是利用最先进的生产工艺通过磁控溅射生长AlScN层，但不幸的是，这些层的质量不足以满足LED和大功率晶体管等电子应用的要求。另一种方法是通过MBE制备AlScN。通过该工艺，化合物中可掺入大量钪，质量也足以生产微电子器件。然而，这一过程非常复杂，对于工业规模的生产来说，生产率太低。

MBE和MOCVD工艺可以制备出质量相对较高的薄膜，但晶体质量仍需提高，以满足工业要求。同时，用这两种方法制备AlScN的过程非常复杂，可扩展性太低，不适合工业化生产。

IAF小组组长Stefano Leone博士解释道：“通过MOCVD生产AlScN不仅可保证必要的质量，而且可保证工业应用的足够生产率。我们知道以前其他科学家通过MOCVD生产AlScN的尝试已经失败。我们还知道，世界各地的许多科学家都在致力于开发AlScN晶体管，但在我们之前，还没有人通过MOCVD成功地实现这一目标。”

Stefano Leone的研究小组（右前）

在MOCVD过程中，首先引导气体穿过加热的晶圆。通过热暴露，让不同的分子从气体中释放出来，并整合到晶圆的晶体结构中。通过调节气体流量、温度和压力，可以精确调节晶体结构。此外，气体的快速变化允许在晶圆顶部生长不同的材料层。

研究人员面临的挑战是：钪没有气体来源。它是一种稀土元素（原子序数21），银白色，质软，用来制造特种玻璃、轻质耐高温合金等。钪的分子（前体）非常大，很难进入气相。“我们研究了钪的最佳前体，并计划对MOCVD反应器进行必要的程序调整。我们做了大量的研究，直到我们开发了一个我们现在正在申请专利的装置。我们成功地通过MOCVD生长了具有非常高晶体质量和适量钪的AlScN层，以便开发下一代功率晶体管”，Leone对这一成就感到高兴。

IAF改良了MOCVD系统

在MOCVD系统中成功沉积AlScN后，第一批晶体管用AlScN层被制备出来。这些层已经达到了很有希望的结果，其薄层电阻率约为200ohm/sq，迁移率约为600cm2/Vs，载流子密度约为4.0×1013cm-2。科学家目前的目标是降低薄层电阻，进一步提高迁移率和材料质量。这将提高未来晶体管的性能，为工业电力电子应用提供AlScN HEMT的目标迈出重要一步。

AlScN层具有非常高的晶体质量和适量的钪

“我们正在追求的半导体技术和我们已经在IAF获得的很多经验，有潜力通过更好的匹配、更高的增益和更高的功率密度从根本上提高集成电路的功率效率，”Quay解释道。由于其高载流能力，AlScN比硅、GaAs和AlGaN/GaN等成熟半导体具有显著优势。基于这种材料，在新的蜂窝频率中可以将放大器级的功率效率至少提高一倍，并将功率转换器的损耗减半。

别以为离我们很远

2018年，iPhone X就采用了博通（Avago）最先进的基于AlScN的滤波器和系统级（SiP）封装。2019年9月发布的iPhone 11的5G射频前端模组中仍有AlScN的身影，因为5G移动数据传输将越来越多的频段集成于手机，因此需要的射频元件及模组数量不断增加。iPhone 11系列采用的创新的射频前端模组是博通的AFEM-8100，其中集成了多颗芯片，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。滤波器是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，压电材料就是AlScN。

“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IAF团队开创性地成功开发低功耗、高频、高带宽、紧凑的射频滤波器的Zukauskaite博士说。

2021年3月，中国的奥趋光电（UTI）展示了一种高质量的蓝宝石基AlScN薄膜——Al0.56Sc0.44N薄膜，可用于5G射频前端BAW/SAW滤波器和下一代电力电子器件。

UTI蓝宝石基Al0.56Sc0.44N薄膜

奥趋光电的研究人员开发了一系列独特的技术，在蓝宝石上生长出高质量的AlScN薄膜，其原子钪含量高达44%（通过EDS能谱仪测量），更重要的是，其成本比之前的方法更低。

奥趋光电创始人兼首席执行官Jason Wu解释道：“世界各地的许多科学家花费了大量努力来开发高质量的AlScN材料，但之前没有人能够合成出这样高质量的高钪含量薄膜，因此对于各种应用来说，这无疑是一个非常激动人心的消息，特别是对下一代功率晶体管。我们正在与中国几家领先的无晶圆厂合作伙伴合作，以实现高性能FBAR/SAW谐振器，满足行业日益严格的要求。”

2019年4月，奥趋光电在日本横滨举行的LED工业应用国际会议（LEDIA-2019）上，推出了直径60mm AlN单晶及晶圆。几年来，奥趋光电投入大量研发人员及资金，成功开发出有完全自主知识产权的全球首台4英寸AlN单晶生长全自动化装备及全套晶圆制程工艺，共申请国际国内专利近30项，成为全球极少数掌握大尺寸、高质量第三代/第四代超宽禁带半导体AlN晶圆衬底材料的高新技术企业。

奥趋光电高质量AlN单晶

2021年4月，奥趋光电正式发布了面向5G射频前端滤波器市场的4/6/8英寸硅基氮化铝钪薄膜模板。根据权威第三方检测显示，目前其产品钪含量高达40%-45%，质量和关键参数处于国际先进水平，同时产品已具备了大批量制造能力。奥趋光电目前已向客户提供上述产品。奥趋光电这一重大进展为我国在该领域的大规模产业化奠定了基础。

写在最后

近50年来，世界各国为研发大尺寸AlN单晶作出了不懈努力，但进展缓慢。近年来，业界在AlN单晶生长高端装备、AlN晶圆衬底材料及其相关产品的研发方面出现了一些突破，在5G射频前端SAW/BAW滤波器、MEMS压电传感器的应用方面已经启动。鉴于AlScN的特性，更值得期待的是其在各种高功率、高频电子器件方面的突破将给我们带来更多的应用选择。