单晶氮化铝微波与毫米波介电性能研究：频率、厚度及温度依赖性的精确表征

《IEEE Journal of Microwaves》：Microwave and Millimeter-Wave Permittivities of Single-Crystal AlN, Including Thickness and Temperature Dependence

本文针对单晶氮化铝(AlN)在微波至毫米波频段(10-320 GHz)的介电性能数据缺失问题，研究人员通过高精度谐振腔法系统测量了其介电常数(εR)和损耗角正切(tanδ)。发现εR稳定在7.805±0.007，tanδ随频率线性增加（公式：(0.78±0.01)·10-4·[1+(2.22±0.02)·10-11·f]），且优于熔融石英。该研究填补了高频段材料参数空白，为AlN在高功率毫米波器件中的应用提供关键设计依据。

　　

随着5G通信、自动驾驶和航天航空技术的飞速发展，对高功率、高频率电子器件的需求日益迫切。氮化铝(AlN)作为一种超宽禁带半导体材料（带隙约6 eV），因其高热导率（约3 W/cm·K）和高临界电场（约10 MV/cm），成为高温、高功率应用的理想候选材料。特别是单晶AlN体材料晶圆的出现，为制备高性能AlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)提供了天然衬底，可显著降低异质结的晶格失配和热边界电阻。

然而，尽管直径≥2英寸的单晶AlN晶圆已实现量产，其关键电学参数——介电性能在微波和毫米波频段仍存在显著的知识空白。从文献调研来看，以往研究多集中于多晶AlN或低频/太赫兹频段，且报道的介电常数(ε_R)差异超过30%，损耗角正切(tanδ)差异可达数个数量级。这主要是由于早期研究受材料纯度、测量方法局限性的影响，许多所谓的“单晶”AlN实则为具有柱状晶粒的薄膜材料。微波和毫米波频段数据的缺失，严重制约了基于AlN的高频器件精确设计与性能预测。

为填补这一空白，由Yoshiyuki Yanagimoto、Shana Yanagimoto、Kasey Hogan、James Grandusky、Chunyi Li（通讯作者）和James C. M. Hwang（Life Fellow, IEEE）组成的研究团队在《IEEE Journal of Microwaves》上发表了最新研究成果，首次系统报道了单晶AlN在10-320 GHz频段的介电性能，并深入分析了其厚度和温度依赖性。

研究人员主要采用了高精度谐振腔法进行测量。关键方法包括：1) 使用法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perot Resonator)覆盖66-320 GHz频段，利用其高Q值（可达10⁵）精确测量低损耗材料的tanδ；2) 对于10 GHz频段的窄带测量，采用可分圆柱谐振腔(Split-Cylinder Resonator)，该腔体可置于温箱内，用于研究-50℃至150℃的温度依赖性；3) 样品为通过物理气相传输法(PVT)生长的2英寸直径单晶AlN晶圆，研究了四种厚度（206, 207, 208, 549 μm）以评估厚度效应；4) 通过测量空腔和有样品时的谐振频率偏移(f_N′ - f_N)和品质因子变化(Q_N′ - Q_N)，结合理论模型计算ε_R和tanδ。

III. 结果与讨论

A. 频率与厚度依赖性

研究发现，单晶AlN的介电常数ε_R在10-320 GHz范围内表现出卓越的稳定性，其平均值为7.805±0.007，且在不同厚度（206-549 μm）的晶圆上均未观察到显著差异。这表明单晶AlN具有高度的材料均匀性和一致性，其介电性能在晶圆减薄至百微米量级时仍能保持稳定，这对于实际器件制造至关重要。

损耗角正切tanδ则表现出清晰的频率依赖性，随频率f线性增加，其关系为：tanδ = (0.78±0.01)×10^-4 × [1 + (2.22±0.02)×10^-11 × f]（f单位：Hz）。这种线性增长趋势与极性电介质中的声子贡献导致的介电色散理论相符。同样，tanδ也未表现出明显的厚度依赖性，进一步验证了材料质量的优异和测量方法的可重复性。

与其它低损耗材料相比，在D波段（110-170 GHz），单晶AlN的损耗虽然高于氧化铝、蓝宝石和碳化硅(SiC)，但低于常用的低损耗材料——熔融石英。这表明单晶AlN的材料质量（如纯度、缺陷浓度等）已经趋于成熟，能够满足高频电路对低损耗的要求。

B. 温度依赖性

在10 GHz下，研究人员考察了-50℃至150℃温度范围内单晶AlN的介电性能变化。结果表明，介电常数ε_R和损耗角正切tanδ均随温度T（单位：K）线性增加。其温度系数分别为：

ε_R(T) = ε_R(300) × [1 + (6.1±0.1)×10^-5 × (T - 300)]

tanδ(T) = tanδ(300) × [1 + (3.8±0.1)×10^-3 × (T - 300)]

其中，ε_R(300)和tanδ(300)为300 K（约27℃）时的值。这种相对较弱（尤其是ε_R）的温度依赖性，与在碳化硅上观察到的现象一致，证实了单晶AlN适用于恶劣环境下的高功率应用。

IV. 结论

本研究首次以三位数的精度测量了单晶AlN在微波和毫米波频段的介电性能。核心结论是：单晶AlN的介电常数ε_R在10-320 GHz范围内保持恒定，值为7.805±0.007；而其损耗角正切tanδ随频率线性增加，关系式为tanδ = (0.78±0.01)×10^-4 × [1 + (2.22±0.02)×10^-11 × f]。该损耗值比以往报道的多晶AlN低一个数量级，甚至低于常见的低损耗材料熔融石英，标志着AlN材料在纯度和缺陷控制方面已达到较高水平。

研究未发现介电性能有明显的厚度依赖性，证实了材料具有良好的均匀性。较弱的温度依赖性则保证了其在高温恶劣环境下应用的可靠性。尽管碳化硅技术更为成熟且损耗略低，但AlN凭借其更宽的禁带宽度，在高功率、高频领域，特别是在需要极高击穿场强和热稳定性的场景中，展现出成为碳化硅可行替代方案的巨大潜力。此项工作为基于单晶AlN的高性能毫米波器件设计提供了精确、可靠的基础数据，将有力推动其在下一代通信、雷达和功率电子系统中的应用。