表1  氮化鋁與其他半導體、超寬禁帶半導體材料參數/性能對比

 

高溫傳感器、換能器和壓電致動器在智能電網、汽車、飛機、航空航天和核電能源行業有巨大需求。如在航空航天推進系統中，高溫傳感器是智能推進系統設計、運行和系統維護的基礎，由于對可靠性和噪音的要求，這些傳感器需要直接部署在噴氣發動機內，并需承受500至1000°C的溫度且其使用壽命需達100000小時；在核電行業的二次冷卻系統中，鋼制部件的無損檢測通常在400℃以上的高溫下進行，需要相應的高可靠性高溫傳感技術。一些傳統壓電材料已經被廣泛研究用于高溫傳感應用，包括石英（SiO2）、正磷酸鎵（GaPO4）、朗格石（LGS）和氧硼化釔（YCOB）。但這些壓電材料通常在400°C-1000°C溫度區間發生相變或其機電耦合系數、品質因子急劇惡化，限制了其壓電靈敏度與應用。近年來，超寬禁帶半導體材料AlN由于其出色的物理/化學穩定性在超高溫（>1000°C）傳感器應用方面獲得了越來越多關注（如圖1），使其成為極端惡劣環境下聲表面諧振/濾波傳感應用的熱門材料，其優點包括：在氮氣環境下的解體溫度接近1850°C，且在此之前不會發生任何相變，因此其壓電響應可以在超高溫下觀察到；AlN具備優異的導熱性能（3.40 W/cm-K）、高電阻率（1011至1013 Ω-cm）、較小的熱膨脹系數（4.5×10-6 /℃）及在紫外到紅外波段內的光學透明度等。

圖1 AlN壓電系數隨溫度的變化

 

為了進一步滿足AlN材料在高頻、高機電耦合系數及超高溫壓電傳感領域的應用，奧趨光電推出全球首款基于AlN單晶襯底的AlScN材料（見圖2）。其中，AlN單晶襯底基于奧趨光電多年自主研發并已經小批量量產的2英寸及其以下尺寸產品，具有高結晶質量、低位錯密度、低表面粗糙度等優點，且由于AlScN（Sc原子濃度<43%）材料的生長基于高度C軸取向的AlN單晶襯底，其與AlN材料具有具備相同的纖鋅礦結構和相近的晶格常數，能夠極大提升AlScN材料生長質量、降低生長的AlScN薄膜的殘余應力及高Sc濃度下AlScN薄膜異常形核密度。奧趨光電的表征分析及高溫測試結果表明，基于AlN單晶襯底生長的AlScN半高寬（FWHM）可低至 100 arcsec, 氮氣環境下的AlN/AlScN材料長時間在1500°C溫度環境下后仍保持其穩定性能（見圖3）。事實上，摻Sc的AlN單晶可使用PVT方法在2200°C-2300°C左右進行生長，因此AlN單晶襯底基AlScN壓電器件使用極限溫度僅受限于電極材料/封裝材料的高溫穩定性。在選擇合適的電極材料及封裝保護條件下，AlN單晶襯底基AlScN材料理論上具備制備使用溫度高達1500°C以上的壓電傳感器。該產品的順利發布將使制備耐超高溫度的高頻、高機電耦合系數及高品質因子的各種壓電傳感器成為可能。

圖2 奧趨光電推出的2英寸AlN單晶襯底基AlScN樣品

圖3  AlN單晶襯底基AlScN半高寬（FWHM）在長時間1500°C高溫測試前后對比

 

資料顯示，奧趨光電是由海歸博士團隊、半導體領域頂尖技術專家領銜，于2016年5月創立的高新技術、創新型企業，總部位于浙江省杭州市。奧趨光電核心專注于第三代/第四代超寬禁帶半導體氮化鋁晶圓襯底材料、藍寶石基/硅基/碳化硅基氮化鋁/氮化鋁鈧薄膜模板、全自動氮化鋁PVT氣相沉積爐及其相關產品的研發、制造與銷售，核心產品被列入《中國制造2025》關鍵戰略新材料與裝備目錄，是制備深紫外LED芯片、5G射頻前端濾波器、MEMS壓電傳感器等各類紫外發光器件、高溫/高頻射頻器件、高頻/高功率電子及激光器件的理想襯底/壓電材料。

 

目前，奧趨光電經過多年的高強度研發投入，成功開發出全球最大，直徑60mm的氮化鋁單晶及晶圓，也是全球首家藍寶石基氮化鋁薄膜模板大批量制造商。目前可向客戶提供2英寸及以下尺寸高質量氮化鋁單晶襯底、2/4/6英寸藍寶石基/硅基/碳化硅基氮化鋁、氮化鋁鈧薄膜模板、氮化鋁單晶氣相沉積爐及熱處理設備等產品，同時向客戶及合作伙伴提供從設備設計、熱場設計、熱場模擬仿真技術開發、咨詢及生長工藝優化到晶圓制程等全環節的完整工藝解決方案與專業技術服務。截止2022年6月，共申請/授權國際、國內專利50余項，是全球范圍內本領域專利數量最多的團隊之一，被公認為本領域全球技術的領導者。