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過去二十年間，壓電材料引起了人們的廣泛關注，很多技術都利用了壓電材料的關鍵特性。氮化鋁（AlN）由于具有極化c軸和壓電特性的非中心對稱晶體結構，并且其制造工藝與互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術相兼容，因此使得人們對其研究和應用的興趣迅速增加。

據麥姆斯咨詢報道，近期，韓國機械材料研究所的研究人員綜述分析了基于AlN的壓電器件的最新進展，相關研究內容以“A Review of the Recent Applications of Aluminum Nitride-Based Piezoelectric Devices”為題發表在IEEE Access期刊上。該文章對比了AlN與摻鈧氮化鋁（AlScN）晶體結構及壓電性能的差異，并分析了基于AlN的壓電器件在消費、通信、工業和醫療領域的應用進展及未來發展趨勢。

AlN晶體結構

AlN屬于III-V族化合物材料，具有六邊形排列的纖鋅礦結構。AlN的固有Q因數及其與CMOS制造工藝的兼容性，是制備實現體聲波（BAW）諧振器和濾波器的關鍵特性。壓電器件設計中最關鍵的因素是晶體質量，晶體質量受到壓電層厚度的影響。研究表明，隨著壓電層厚度的增加，壓電應變系數d33性能提升，介電損耗降低。當壓電層厚度增加到1 μm時，厚度的繼續變化對AlN薄膜的晶體質量影響就很小了。

為了提升AlN的壓電性能，可以通過摻雜各種金屬，例如鈧（Sc）、釩（V）、鈦（Ti）、鉭（Ta）、鎂（Mg）等。在這些金屬中，Sc脫穎而出，研究表明在40% Sc摻雜率的情況下，其壓電性能最多可增加五倍。此外，在與集成光子學相關的其他研究領域，這種材料在光學和熱釋電性能方面均表現出優異的性能。

基于AlN的壓電器件應用于消費領域

目前，量產的消費類電子產品不僅依賴于超大規模集成電路（VLSI）器件，而且還需要集成可適用于各種應用的壓電器件，例如壓電式微機械超聲換能器（PMUT）、MEMS麥克風、MEMS揚聲器和MEMS能量收集器等。

近些年，研究者們已經開發出了110 × 56的PMUT陣列，能夠對皮膚表皮和皮下進行成像。在MEMS麥克風研究方面，已實現了19 mV/Pa的峰值靈敏度。在基于AlN的MEMS揚聲器研究方面，已實現了峰值聲壓級高達100 dB，靈敏度為105 dB/mW。此外，研究者們還研制出峰值輸出功率為854.55 μW/cm3/g2的MEMS能量收集器。

圖1 各種基于AIN的PMUT器件示意圖

圖2 各種基于AIN的MEMS麥克風示意圖

圖3 各種基于AIN的MEMS揚聲器示意圖

圖4 各種基于AIN的MEMS能量收集器示意圖

基于AlN的壓電器件應用于通信領域

對于通信設備而言，Q因數是最重要的特性，在射頻信號中產生高Q因數往往會引起非線性效應。目前，最主流的射頻濾波器是聲表面波（SAW）濾波器和BAW濾波器。與SAW濾波器相比，BAW濾波器因其高工作頻率、高功率容量和高Q因數等優點而受到認可，適用于更陡峭的濾波器設計。此外，與CMOS的高隔離性和AlN兼容性，使BAW濾波器成為射頻通信的主導器件之一。

基于MEMS的諧振器也可以集成到監測壓力、加速度和溫度變化的系統中，并為射頻收發器過濾特定頻段。目前，低頻應用的SAW濾波器主要使用鉭酸鋰（LiTaO?）和鈮酸鋰（LiNbO?）兩大類材料。根據已有研究顯示，基于AIN的器件主導了高頻段應用。此外，通過Sc摻雜，AlScN薄膜的壓電應變系數d??可以顯著增加，因此，AlScN壓電薄膜在新興的薄膜腔聲諧振器（FBAR）領域表現出更大的優勢。

圖5 用于通信設備的各種基于AIN的MEMS器件示意圖

基于AlN的壓電器件應用于工業領域

目前，各種MEMS壓力傳感器已被用于管理和監測航空航天、汽車、生物醫學和海洋學研究等領域的壓力相關變量。與其它類型的壓力傳感器相比，MEMS壓力傳感器占用空間更小、靈敏度更高、成本更低，且可以將多個設備集成在單個平臺上。AlN由于具有非中心對稱的晶體結構，可以通過在基于極化c軸的施加外部應力下產生電位差來識別壓力變化，因此可以用作于傳感器來識別壓力變化。

圖6 各種基于AlN的MEMS壓力傳感器示意圖