钪铝氮化物（ScAlN）在高频滤波器与5G宽带应用中的研究进展

引言：随着5G通信向毫米波频段（24.25-52.6 GHz）及未来6G太赫兹频段扩展，传统氮化铝（AlN）因其压电常数（d33≈4 pC/N）的限制，难以充分满足高频滤波器对较高机电耦合系数（kt²）与低插损的需求。钪铝氮化物（ScAlN）通过掺杂钪元素（Sc），其压电性能得到增强，成为应对高频器件性能要求的一种重要材料路径。近年来，围绕ScAlN在材料制备、性能优化及器件设计等方面的研究不断取得进展，为5G/6G射频前端和宽带应用提供了新的可能。

一、ScAlN材料特性与高频性能优势

ScAlN属纤锌矿结构，其压电性能随Sc掺杂浓度增加呈现非线性变化。理论计算显示，当Sc掺杂浓度达到60-70 mol%范围时，压电常数d33可超过40 pC/N，明显高于纯AlN；相应的机电耦合系数kt²也有所提高。这主要与Sc原子引入导致的晶格变化和声学模式的改变有关，这些变化降低了晶体对称性，从而影响其极化响应。此外，ScAlN具备以下特点：

较高的耐温性： 居里温度通常高于1150℃，对高温工作环境适应性较强；

较低的损耗特性： 声学品质因数（Q值）一般大于2000，介电损耗（tanδ）通常小于0.001，有助于减轻高频信号衰减；

较好的CMOS兼容性： 支持在硅基上进行集成，有助于降低射频模组的制造成本。

二、材料制备核心突破：结晶质量与压电性能优化

较高Sc掺杂浓度（如超过40 mol%）容易引发晶格不稳定和晶粒生长不均匀的问题，可能影响压电性能的发挥。近年来的研究探索了多种制备工艺来应对这些挑战：

Lu基底层诱导外延生长

有研究团队在ScAlN薄膜底部引入镥（Lu）金属基底层。由于Lu的六方最密结构与ScAlN晶格匹配较好，该方法促进了Sc浓度约50.8 mol%薄膜的均匀生长，薄膜压电常数提升至35.5 pC/N，比常规工艺所得性能提升约12%。

可控热退火工艺

根据2025年报道的热退火技术，可使Sc0.3Al0.7N薄膜d33从12.3 pC/N提升至45.5 pC/N。在700℃氩气环境中退火能够帮助修复晶格缺陷，优化畴结构排列，使其kt²从13.8%提高到76.2%，达到与铌酸锂薄膜相近的水平。

全晶外延堆叠结构

科泰团队在硅衬底上成功制备了单晶Sc0.12Al0.88N/Mo异质结构，该结构在11.8 GHz谐振频率下实现了f·Q值约为2.5×10¹² Hz的指标，为高频薄膜体声波谐振器（FBAR）滤波器的发展奠定了基础。

三、高频器件设计创新与应用进展

（1）体声波滤波器（BAW/FBAR）

ScAlN相对较高的声速（>6000 m/s）和提升的kt²特性使其成为毫米波滤波器的合适候选材料：

过调制谐振器（OBAR）： 采用特定设计的等厚电极与压电层结构，在33 GHz频率下实现了Qs约等于110、k²约为1.7%的性能，展示了在30-60 GHz频段内应用的可行性；

高频FBAR： 利用外延生长的ScAlN薄膜制备的FBAR，在4.6 GHz基模频率下Q值达到1230（对应f·Q≈5.6×10¹² Hz），器件插损降低近40%，适于应用于5G n79频段（4.4-5.0 GHz）。

（2）5G宽带与多频段射频前端

采用ScAlN的滤波器带宽通常比AlN滤波器宽3倍左右，能够更好地支持5G所需的宽带需求（例如3.5 GHz与4.9 GHz载波聚合）。其较高的功率耐受性（>40 dBm）也使其能满足大规模MIMO基站对多通道滤波器提出的功率要求。一些厂商已将其应用于Sub-6 GHz射频模组，有助于减少带外噪声，降低幅度达到15%以上。

（3）新兴应用拓展

压电超声换能器（PMUT）： ScAlN具有较高的d33值，有助于提升医学超声成像分辨率；

GaN HEMT器件： 采用ScAlN作为势垒层，能够增加二维电子气（2DEG）浓度，提高射频功率放大器的效率；

自供能传感器： ScAlN带来的压电性能提升（相较于AlN），为物联网设备的机械能收集提供了新的方案探索。

四、挑战与未来方向

当前ScAlN技术仍面临几项有待解决的挑战：

高Sc浓度薄膜规模化生产： 当掺杂浓度高于50 mol%时，对薄膜应力的精确控制及晶界缺陷的有效抑制仍需深入研究；

热稳定性改进： 在高温工作条件下，Sc空位的迁移可能导致材料性能出现衰减；

噪声抑制要求： 宽带滤波器在高频段工作时面临的噪声增加问题，需要通过电路集成设计的优化来解决。

未来研究预期将聚焦于以下方向：

多元素共掺技术： 例如探索Mg/Sc-AlN等体系，以期在压电性能提升与材料稳定性之间取得平衡；

异质结构设计： 研究如铁电ScAlN/GaN界面的极化效应，通过调控载流子浓度来提升高电子迁移率晶体管（HEMT）的性能；

晶圆级集成工艺： 开发适用于ScAlN滤波器与硅基集成电路（IC）实现单片集成的低温键合等工艺。

结语

ScAlN凭借其可调节的压电特性、良好的高频低损耗性能以及较好的CMOS兼容性，已成为5G/6G射频前端领域一种重要的新材料体系。随着材料生长与器件集成技术的发展成熟，其应用场景有望从滤波器拓展至功率电子、传感器件乃至量子器件等多个领域。未来的关键在于加强“材料-工艺-电路”设计环节的协同优化，推动ScAlN在高频通信领域的规模化应用进程。