基于模拟及蜂窝技术进行语音传输的第一代移动通信诞生于二十世纪八十年代。经过不到40年的时间，移动通信技术取得了飞速发展，从初期的模拟/语音到数字/数据传输，从窄带到宽带及超宽带，并逐步从2G/3G/4G技术演进至当前的5G（第五代）移动通信技术）。
5G时代是高频的时代，且频段数目将与日俱增。据Skyworks预测，未来5G将新增50个频段，总频段数量将达到91个。伴随着5G智能手机出货量大增，智能手机射频前端行业将进入高速成长阶段。射频前端模块中，价值量最高、价值占比最大（约60%）的即为滤波器芯片，而就目前技术而言，5G智能手机单机的射频滤波器需求至少为72-75个，相比4G手机单机用量至少提升约80%，市场需求增量空间巨大。5G射频前端市场在迎来爆发性机遇的同时，也对滤波芯片从性能、产能等方面提出了更高要求，全球各主流射频前端芯片制造商纷纷在滤波器件结构、制备材料和工艺等方面积极创新，寻求解决方案，包括基于氮化铝（AlN）薄膜材料的FBAR/BAW等新型滤波器快速投放市场，并已经得到成熟应用。
AlN薄膜——射频滤波芯片的理想压电薄膜材料
制备高性能射频滤波器的核心在于衬底材料的特性及其结晶质量。相较于传统的ZnO、PZT、LT/LN等压电材料，AlN薄膜材料由于具有高电阻率、高热导率、高稳定性及高声波传输速率等优异物理性能，是5G高性能FBAR/BAW射频滤波器的理想压电材料之一，并已在工业界得到成熟运用。如具有一定的择优取向的AlN薄膜材料的声波速较高（纵波速可达11000m/s，横波速约为6000m/s），这使得AlN薄膜目前被作为GHz高频谐振器件、滤波器件等制备的首选材料。由于AlN材料在1200℃的高温下依然能够保持压电性，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。同时，AlN材料还具有良好的热导率，基于AlN制备的声波器件不会因工作时产生的热量聚集而降低其使用性能与寿命。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进行择优生长。AlN薄膜的上述独特性质使其成为了射频滤波芯片的理想压电薄膜材料，并在光电器件、电子元器件及MEMS等领域也得到了广泛应用。
AlScN薄膜——突破AlN薄膜性能瓶颈的掺钪解决方案
尽管与ZnO、PZT、LT/LN等传统压电材料相比性能优势明显，但AlN薄膜也存在其固有缺点，即沿c-轴方向生长的AlN薄膜的压电系数较小（d33=5~6pm/V），使得基于AlN薄膜的SAW器件性能（特别是在高频频段）的应用遭遇瓶颈。为解决AlN薄膜材料的这一瓶颈，并同时保留其他优异特性，一种有效的方法是通过向其掺杂以提升其压电性能。当前主要通过利用其它III族氮化物以及过渡金属来实现该目的。为获得性能较稳定的合金材料，需要考虑过渡金属与III族元素之间的匹配程度。钪是IIIB族的元素，通常被认为是一种过渡金属。钪以ScN化合物的形式稳定存在，具有立方晶系盐石结构，由于钪原子与Al原子的大小相仿，且具有过渡金属所具有的稳定性，因此成为当前副族元素研究的重点。
国际上首次开始尝试向氮化铝薄膜中掺杂钪是在2009年，日本产综研的Akiyama等人与电装集团合作，通过磁控溅射，以及对溅射得到的薄膜进行表征，证实了Takeuchi等人的理论计算，即氮化铝薄膜的压电系数会随掺杂的钪元素浓度的增加而变大，并且当掺杂的摩尔浓度为43%时，其压电系数最大，此时压电系数d33为27.6pC/N，是无掺杂氮化铝薄膜压电系数的4倍。2019年，德国弗赖堡大学通过优化后的磁控溅射工艺制备出高Sc浓度的Si基Al0.54Sc0.46N薄膜，获得的压电系数d33高达44pC/N，并仍具有c轴晶体学取向（如图1）。
图1 AlScN压电常数随Sc浓度变化曲线
近十年来，随着AlN压电薄膜制备及其器件技术的不断提高，基于AlN压电薄膜的FBAR/BAW产品已广泛应用于4G/5G通信领域，而掺杂Sc的AlN薄膜（AlScN）由于其压电性能的显著提升，在制备高频、高性能及大带宽FBAR/BAW器件方面备受厂商青睐。图2 为基于不同技术团队采用AlScN制备的FBAR/HBAR器件机电耦合系数随Sc浓度变化曲线，而图3为不同Sc浓度下AlScN基SAW器件的机电耦合系数有限元模拟结果。
图2 基于AlScN的FBAR/HBAR实际器件的机电耦合系数随Sc浓度变化曲线
图3 不同Sc浓度AlScN基SAW器件的机电耦合系数随相对膜厚的有限元模拟结果
在SAW器件方面，日本千叶大学使用高声速的基底材料（金刚石/SiC）通过高掺钪浓度的AlScN薄膜制备了1至3 GHz 高性能SAW器件，而在AlScN/6H-SiC结构上制造了单端口3GHz以上频率的低损耗SAW谐振器；韩国首尔延世大学在Si基AlScN薄膜上制备出中心频率达3.97 GHz的SAW谐振器。2020年，美国宾夕法里亚大学基于Si基Al0.68Sc0.32N薄膜成功制备出1.5GHz、机电耦合系数高达4.78%的SAW器件。
如上期报道，苹果（Apple）公司在iPhone系列手机的射频（RF）前端模组中，就广泛采用了基于新型压电材料AlScN的射频滤波器。2018年，iPhone X采用了博通（Broadcom，此前为Avago Technologies）最先进的基于AlScN的滤波器。iPhone XR中则使用了Qorvo最先进的QM76018射频前端模组，该模组包含基于AlScN的体声波（BAW）滤波器。同代的旗舰机型（iPhone XS、XS max系列）中，博通AFEM-8092射频前端模组同样包含基于AlScN的滤波器。2019年，博通AFEM-8100射频前端模组继续沿用基于AlScN压电材料的滤波器，并借此成为iPhone11系列手机多个版本（包括11、11 Pro和11 Pro Max）射频前端模组的唯一供应商。2020年，博通依然是苹果iPhone12系列所有版本手机（12、12 Mini、12 Pro、12 Pro Max）的唯一射频前端模组（AFEM-8200）供应商，滤波芯片依然使用AlScN压电材料。
综上，AlScN薄膜相较于AlN大幅提升了压电系数，从而提高了射频前端滤波器件的机电耦合系数，是突破AlN薄膜SAW器件性能瓶颈的有效解决方案，也是BAW/FBAR滤波器的核心衬底材料，将成为5G高频时代最有希望全面替代智能手机射频滤波器所用AlN的新一代压电材料。
图4 在硅基AlScN（左）和蓝宝石基AlScN（右）晶圆上制造的声表面波（SAW）谐振器（图片来源：Fraunhofer-Gesellschaft）
AlScN薄膜模板——奥趋光电开发的新一代高端压电材料
今年3月，奥趋光电在SEMICON China 2021举办的“2021年功率与化合物半导体国际论坛”上，正式发布了采用自主创新技术开发的5G射频前端FBAR/BAW/SAW滤波及功率器件用高质量准单晶铝钪氮（Al₀.₅₆Sc₀.₄₄N）薄膜产品。多家第三方权威机构检测表明，目前该系列产品的钪含量高达40-45at%。蓝宝石基铝钪氮薄膜（500 nm膜厚）的高分辨X射线（0002）衍射摇摆曲线（Omega扫描）半高宽（FWHM）低至88-90弧秒且峰强高达400,000-500,000 cps（如图2a所示），（10-12）非对称衍射摇摆曲线半高宽为300-350弧秒。原子力显微镜（AFM）检测薄膜表面的粗糙度（Ra）为4-5nm，且整体均匀性高，可见图4。以上检测数据表明，奥趋光电开发的AlScN薄膜产品质量和关键参数已处于国际、国内绝对先进水平。同时，该系列产品已经具备大批量制造基础，可有效取代5G射频前端FBAR/BAW/SAW滤波器中的AlN和其他传统压电材料。
图4 奥趋光电蓝宝石基铝钪氮薄膜（0002）衍射摇摆曲线（左图）及其薄膜表面AFM形貌图（右图）
目前，奥趋光电AlScN薄膜系列产品已正式批量发售，可面向全球用户提供尺寸为2/4/6/8英寸的硅基和蓝宝石基高质量AlScN薄膜模板产品。同时硅基/蓝宝石基AlN薄膜模板仍大批量发售，以满足不同领域用户的使用需求。
随着5G时代的到来，实现批量化制造的铝钪氮（AlScN）薄膜，凭借其优异的压电性能，将成为射频滤波芯片的新一代高端压电材料，同时也将在高性能MEMS压电传感器、功率器件等关键领域实现规模化应用。
关于奥趋光电
奥趋光电是由海归博士团队、半导体领域顶尖技术专家领衔，于2016年5月创立的高新技术、创新型企业，总部位于浙江省杭州市。奥趋光电核心专注于第三代/第四代超宽禁带半导体氮化铝晶圆衬底材料、蓝宝石基/硅基/碳化硅基氮化铝/氮化铝钪薄膜模板、全自动氮化铝PVT气相沉积炉及其相关产品的研发、制造与销售，核心产品被列入《中国制造2025》关键战略新材料与装备目录，是制备深紫外LED芯片、5G射频前端滤波器、MEMS压电传感器等各类紫外发光器件、高温/高频射频器件、高频/高功率电子及激光器件的理想衬底/压电材料。
奥趋光电经过多年的高强度研发投入，成功开发出全球最大，直径60mm的氮化铝单晶及晶圆，也是全球首家蓝宝石基氮化铝薄膜模板大批量制造商。目前可向客户提供1英寸/2英寸高质量氮化铝单晶衬底、2/4/6英寸蓝宝石基/硅基/碳化硅基氮化铝、氮化铝钪薄膜模板、氮化铝单晶气相沉积炉及热处理设备等产品，同时向客户及合作伙伴提供从设备设计、热场设计、热场模拟仿真技术开发、咨询及生长工艺优化到晶圆制程等全环节的完整工艺解决方案与专业技术服务。截止2021年2月，共申请/授权国际、国内专利37项，是全球范围内本领域专利数量最多的团队之一，被公认为本领域全球技术的领导者。