武汉大学：金属掺杂对AlN薄膜超声换能器压电响应的影响
2026-11-08 14:41:56 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
氮化铝（AlN）是薄膜体声波（BAW）谐振器与微机电系统（MEMS）中广泛使用的无铅压电材料。与多数压电薄膜研究不同，该研究制备薄膜旨在确保其用于超声换能器时具有足够的介电强度，同时改善膜层的结晶质量和压电响应。
氮化铝（AlN）是薄膜体声波（BAW）谐振器与微机电系统（MEMS）中广泛使用的无铅压电材料。AlN熔点约为2800℃，其工作温度可达约1100℃，显著高于目前广泛使用的压电材料锆钛酸铅（PZT，约400℃）。然而与PZT相比，AlN的纵向压电系数d₃₃较低，仅约5 pC/N，而PZT可达400 pC/N。掺杂调控是改善AlN压电性能、提高其d₃₃的方法之一。其中，Sc合金化的效果最为显著，可使d₃₃从5 pC/N提高至25 pC/N，并使横向压电应力系数e₃₁达到−2.77 C/m²；然而，Sc合金化会在AlN晶胞中引入缺陷，从而降低材料刚度系数和品质因数Q值。其他一些元素在计算预测和实验验证中均显示出良好潜力，但相关结果不易复现。截至目前，尚未发现其他元素在适宜掺杂浓度下能够取得与Sc相当的效果。
据麦姆斯咨询报道，武汉大学、湖北工业大学等采用反应式射频磁控溅射法，在硅（Si）衬底与不锈钢衬底上沉积了分别掺杂Sc、Zn、Ti、Zr、Y、Ta、Cr、Nb和Cu的AlN薄膜，厚度约20 μm。与多数压电薄膜研究不同，该研究制备薄膜旨在确保其用于超声换能器时具有足够的介电强度，同时改善膜层的结晶质量和压电响应。结构分析表明，除ScAlN和ZnAlN外，其他掺杂AlN薄膜的柱状晶结构与压电响应均随金属掺杂浓度升高而逐渐劣化。ScAlN（Sc 6.7 at%）、ZnAlN（Zn 1.6 at%）、NbAlN（Nb 1.2 at%）、TiAlN（Ti 0.7 at%）和未掺杂AlN的有效纵向压电系数d₃₃ᵉᶠᶠ分别为10.1 ± 0.5、5.3 ± 0.5、5.2 ± 0.5、5.2 ± 0.5和5.6 ± 0.5 pC/N，研究人员利用超声换能器测试了它们的脉冲回波响应，并发现响应幅度与d₃₃ᵉᶠᶠ之间存在相关性。相关研究成果以“The effect of metal doping on the piezoelectric response of AlN film ultrasonic transducers”为题发表于Journal of the European Ceramic Society期刊。
实验方法
本研究采用直径150 mm、纯度99.999%的Al靶，并在靶面非对称嵌入Sc、Zn、Ti、Zr、Y、Ta、Cr、Nb或Cu金属圆片（直径15 mm或30 mm）。矩形Si衬底与不锈钢（SS）衬底正对靶材放置（如图1）。在这种几何构型下，沉积膜中的掺杂金属浓度随径向距离增大而降低，（如图1）。
图1 沉积几何构型示意图：俯视图（上）和截面图（下）
未掺杂AlN薄膜
未掺杂AlN薄膜在2θ=36.1°处呈现明显的（002）衍射峰，说明膜层沿晶轴（c-axis）择优取向。在沉积区域中心（R=40 mm），d₃₃ᵉᶠᶠ达到最大值5.4±0.5 pC/N；在两侧边缘（R>85 mm与R<0），则该系数下降至中心值的一半。后续分析将径向距离限定在0–85 mm范围内，在该范围内距离变化引起的d₃₃ᵉᶠᶠ变化不超过15%。（002）衍射峰越窄，AlN薄膜的d₃₃ᵉᶠᶠ越高，随半高全宽（FWHM）增大，d₃₃ᵉᶠᶠ逐渐降低。
图2 不同径向距离处AlN薄膜的SEM和XRD结果，以及d₃₃ᵉᶠᶠ与（002）衍射峰FWHM的关系
ZnAlN与ScAlN薄膜
XRD图谱显示（如图3c、图3d），ScAlN与ZnAlN薄膜均保持AlN的晶体结构，并呈现（002）择优取向；其（002）衍射峰FWHM分别约为0.12°与0.14°，且均不随掺杂浓度变化。在所考察的Zn掺杂浓度范围内，ZnAlN薄膜的d₃₃ᵉᶠᶠ未见变化（如图3f）；相比之下，ScAlN薄膜的d₃₃ᵉᶠᶠ随Sc掺杂浓度增加而显著提高，在Sc含量为6.7 at%时达到约10 pC/N，与既往研究结果一致。
图3 ScAlN与ZnAlN薄膜的SEM截面像、不同Sc/Zn掺杂浓度下的XRD图谱及d₃₃ᵉᶠᶠ
TiAlN、ZrAlN、YAlN与TaAlN薄膜
随着金属掺杂浓度提升，柱状晶逐渐细化、膜层形貌特征也变得不明显。对于ZrAlN、YAlN和TaAlN薄膜，较高掺杂浓度下其（002）衍射峰明显宽化，表明膜层已转变为非晶态，这与SEM观察结果一致。随着金属掺杂浓度升高，d₃₃ᵉᶠᶠ逐渐降低，并在约7 at%时降至零。这表明，膜层晶体结构的质量是影响其压电性能的主要因素，即金属掺杂浓度升高会导致膜层非晶化并丧失晶体择优取向。与ZrAlN类似，在本研究考察的浓度范围内，YAlN的d₃₃ᵉᶠᶠ下降也与掺杂膜层晶体质量劣化有关。
NbAlN、CrAlN与CuAlN薄膜
NbAlN、CrAlN和CuAlN薄膜具有一个的共同特点：其电阻率随金属掺杂浓度升高而降低，这限制了对高掺杂浓度下膜层压电性能的研究。其中CrAlN薄膜的压电响应下降最快：当Cr含量约为0.7 at%时，其d₃₃ᵉᶠᶠ已低于3 pC/N；当Cr含量达到1 at%时，则未观察到压电响应。NbAlN薄膜压电响应的劣化是由膜层结构非晶化引起的，这与Zr、Y和Ta掺杂AlN薄膜的情况类似。
d₃₃ᵉᶠᶠ与膜层结构质量的关联
所呈现的数据反映的是掺杂对压电响应和晶体质量的影响，而不是样品相对于靶材的位置所产生的影响。正如预期，所有膜层的d₃₃ᵉᶠᶠ均随（002）衍射峰FWHM的增大而降低。无论掺杂元素种类如何，几乎所有d₃₃ᵉᶠᶠ数据点均分布在Savitzky-Golay方法平滑处理所得曲线附近。因此可以认为，金属掺杂的主要影响是使膜层结构质量下降，进而影响其d₃₃ᵉᶠᶠ。但需要指出，对于采用磁控溅射制备的样品，难以区分金属掺杂原子取代Al原子本身所产生的影响，以及这种取代所引起的结晶度下降所产生的影响。更合适的沉积方法应能在不同金属掺杂浓度下制备出晶体质量相同的样品。
图4 掺杂AlN薄膜的d₃₃ᵉᶠᶠ与（002）衍射峰FWHM的关系
掺杂AlN薄膜超声换能器的超声响应
Berlincourt型压电系数测试仪在测量膜层d₃₃ᵉᶠᶠ时存在明显局限。主要干扰因素是衬底刚度不足，导致压电膜层在夹持过程中发生弯曲变形、压力分布不均。d₃₃ᵉᶠᶠ较高的ScAlN、AlN与ZnAlN超声换能器（分别为6.3、5.6、5.1 pC/N）表现出更强的脉冲回波响应；回波峰峰值Vₑₗ与d₃₃ᵉᶠᶠ之间的关系可近似表示为Vₑₗ ∝ (d₃₃ᵉᶠᶠ)⁴。二者之间关系表明，脉冲回波测试可验证Berlincourt型测试仪测得的d₃₃ᵉᶠᶠ。由于压电性能仅对公式的分子项产生显著贡献，因此机电耦合系数kᵀ₃₃可近似视为与d₃₃ᵉᶠᶠ成正比。由此推测，NbAlN与ScAlN超声换能器具有更强的响应，可能与其较小的恒应力介电常数εᵀ₃₃和弹性柔顺系数的变化有关。
图5 五种掺杂AlN薄膜超声换能器的脉冲回波响应、d₃₃ᵉᶠᶠ随金属掺杂浓度的变化，以及回波峰峰值与d₃₃ᵉᶠᶠ的关系
总结
综上所述，当金属掺杂浓度较低（约2 at%）时，所有不同掺杂的AlN薄膜均呈现（002）择优取向生长；当Ti、Zr、Y、Ta、Cr、Nb与Cu的掺杂浓度提升至约5 at%时，相应膜层的d₃₃ᵉᶠᶠ降至零，这与膜层结构质量下降及择优取向丧失有关。因此，在本研究考察的掺杂浓度范围内，上述掺杂均未能提升AlN的有效纵向压电系数。相比之下，ZnAlN与ScAlN薄膜在所考察的掺杂浓度范围内保持了较好的结构稳定性，其d₃₃ᵉᶠᶠ分别为5.3±0.5 pC/N（Zn 1.6 at%）与10.1±0.5 pC/N（Sc 6.7 at%）。与未掺杂AlN超声换能器相比，NbAlN超声换能器表现出更强的脉冲回波响应，这可能与其εᵀ₃₃和弹性柔顺系数的变化有关。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2026.118169
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延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》