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集材院氮化铝薄膜材料基因组取得阶段性成果 推动5G滤波器压电材料研发

5G时代使数据传输能力得到大幅提升,随之而来的是对滤波器更高频率、更大带宽的需求。基于氮化铝的体声波滤波器在工作频率上具有天然优势,然而受限于其较低的压电系数及机电耦合系数,已很难满足5G对带宽的要求。

为加速射频压电材料的研发过程,上海集成电路材料研究院联合中科院上海微系统所启动氮化铝薄膜材料基因组项目,开发压电材料高通量计算流及高通量实验平台,并取得阶段性成果。团队基于自主开发的第一性原理高通量方法计算超过150种掺入氮化铝的元素组合,结合谐振器高机电耦合以及低声学损耗的需求筛选出9种掺杂组合,具有满足高压电响应、高弹性模量的需求,在5G滤波器中取代钪参杂氮化铝的潜力;并自主研发高通量实验制备,实现8英寸晶圆上多点磁控溅射工艺,在研究中得到掺钪浓度为20%的氮化铝薄膜,压电系数达13.6pC/N。

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图1  高通量压电材料工作流(左)

图2  掺杂体系晶胞结构图(右)

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图3  掺杂元素选择

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图4  (XY)0.25 Al0.75N的压电常数 (d33), 压电应力常数(e33), 弹性常数(C33)计算数据图(左)   

图5  不同沉积时间下的薄膜表面形貌图(右)


该项工作大大加快第一性原理计算速度,提高材料筛选效率,为寻找高压电响应、高弹性模量的氮化铝掺杂组合提供新方法,推动5G滤波器压电材料研发。

该研究成果已申请专利,并与相关企业合作推进产业应用。参与项目工作的研究生余希等获第五届材料基因工程高层论坛最佳墙报论文奖一等奖。

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图6 最佳墙报论文奖一等奖证书