中山大学研究团队首次实现了基于ε-Ga2O3薄膜的SAW射频谐振器

时间：2022-10-12作者：佚名

portant;">随着5G技术的兴起和普及，如何合理和高效的使用不同通讯频段受到了越来越多的关注。现阶段可供使用的通讯频段已超过30个，且其数量随着无线通信技术的发展还将继续增长，因而射频滤波器在无线通信技术中扮演着越来越重要的角色，仅手机射频前端对滤波器的需求就高达每年百亿个以上。因此，开发高性能的射频滤波器尤为重要。目前，应用于射频前端的滤波器主要采用压电材料制备：在低频波段（<2 GHz），主流的商用射频滤波器主要采用基于压电晶体LiNbO₃或LiTaO₃的声表面波器件（SAW）；而在高频波段（>2 GHz），则主要采用基于压电半导体AlN的薄膜体声波器件（FBAR）。

portant;">应用于射频滤波器的压电半导体材料需具有高本征电阻率（即禁带宽度较宽）和高压电系数；前者有利于器件输出功率和品质因子的提升，而后者则有助于增加滤波器的带宽。作为目前5G射频滤波器的主流半导体材料，AlN具有足够宽的禁带宽度（6.2 eV）；但AlN的压电常数仅为d₃₃=1~5 pm/V，这意味着AlN材料的机电耦合系数小，相应的滤波器带宽也小。因此，寻找具有更高性能的新型压电半导体材料，是射频器件研究领域的核心课题之一。近期，中山大学的研究团队在宽禁带压电半导体材料研究领域取得了重要进展，相关成果以《ε-Ga₂O₃: an Emerging Wide Bandgap Piezoelectric Semiconductor for Application in Radio Frequency Resonators》为题，发表在国际期刊《Advanced Science》上，中山大学陈梓敏副教授为论文第一作者，中山大学卢星副教授、王钢教授为论文通讯作者。

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portant;">研究成果
近年来，新型氧化镓（Ga₂O₃）半导体材料由于其宽禁带（4.9eV）和高击穿电场（8MV/cm）的优点，在半导体研究领域中引起了广泛的关注。Ga₂O₃具有α、β、γ、δ和ε五种不同的相，其中ε-Ga₂O₃（也有研究人员称其为κ-Ga₂O₃）是氧化镓的第二稳定相，且ε-Ga₂O₃只能通过异质外延生长获得。理论研究指出ε-Ga₂O₃具有较强的压电极化效应，但由于ε-Ga₂O₃薄膜的制备技术仍不成熟，因此目前尚缺乏对ε-Ga₂O₃压电效应的实验验证及应用研究。

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portant;">中山大学课题组通过采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，可在硅、蓝宝石、碳化硅等衬底上异质外延生长ε-Ga₂O₃薄膜；薄膜具有低残余应力、高结晶质量的特点。通过采用压电原子力显微镜（PFM），测量ε-Ga₂O₃薄膜沿c晶轴方向的压电系数为d₃₃=10.8~11.2 pm/V（图1），明显高于AlN的压电系数（d₃₃=1~5pm/V）。课题组采用半导体微加工工艺，首次实现了基于ε-Ga₂O₃薄膜的SAW射频谐振器（图2），器件在1~3 GHz范围内存在显著的压电谐振（包括Rayleigh模式和Sezawa模式），进一步验证了ε-Ga₂O₃薄膜材料在5G射频波段的应用潜力。