應用于射頻濾波器的壓電半導體材料需具有高本征電阻率（即禁帶寬度較寬）和高壓電系數；前者有利于器件輸出功率和品質因子的提升，而后者則有助于增加濾波器的帶寬。作為目前5G射頻濾波器的主流半導體材料，AlN具有足夠寬的禁帶寬度（6.2 eV）；但AlN的壓電常數僅為d₃₃=1~5 pm/V，這意味著AlN材料的機電耦合系數小，相應的濾波器帶寬也小。因此，尋找具有更高性能的新型壓電半導體材料，是射頻器件研究領域的核心課題之一。近期，中山大學的研究團隊在寬禁帶壓電半導體材料研究領域取得了重要進展，相關成果以《ε-Ga₂O₃: an Emerging Wide Bandgap Piezoelectric Semiconductor for Application in Radio Frequency Resonators》為題，發表在國際期刊《Advanced Science》上，中山大學陳梓敏副教授為論文第一作者，中山大學盧星副教授、王鋼教授為論文通訊作者。

研究成果
近年來，新型氧化鎵（Ga₂O₃）半導體材料由于其寬禁帶（4.9eV）和高擊穿電場（8MV/cm）的優點，在半導體研究領域中引起了廣泛的關注。Ga₂O₃具有α、β、γ、δ和ε五種不同的相，其中ε-Ga₂O₃（也有研究人員稱其為κ-Ga₂O₃）是氧化鎵的第二穩定相，且ε-Ga₂O₃只能通過異質外延生長獲得。理論研究指出ε-Ga₂O₃具有較強的壓電極化效應，但由于ε-Ga₂O₃薄膜的制備技術仍不成熟，因此目前尚缺乏對ε-Ga₂O₃壓電效應的實驗驗證及應用研究。

中山大學課題組通過采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法，可在硅、藍寶石、碳化硅等襯底上異質外延生長ε-Ga₂O₃薄膜；薄膜具有低殘余應力、高結晶質量的特點。通過采用壓電原子力顯微鏡（PFM），測量ε-Ga₂O₃薄膜沿c晶軸方向的壓電系數為d₃₃=10.8~11.2 pm/V（圖1），明顯高于AlN的壓電系數（d₃₃=1~5pm/V）。課題組采用半導體微加工工藝，首次實現了基于ε-Ga₂O₃薄膜的SAW射頻諧振器（圖2），器件在1~3 GHz范圍內存在顯著的壓電諧振（包括Rayleigh模式和Sezawa模式），進一步驗證了ε-Ga₂O₃薄膜材料在5G射頻波段的應用潛力。

圖1 ε-Ga₂O₃薄膜的壓電效應PFM測量

圖2 基于ε-Ga₂O₃薄膜的SAW射頻諧振器工作特性

總結與展望

ε-Ga₂O₃的壓電系數為d₃₃=10.8~11.2 pm/V，理論上基于ε-Ga₂O₃薄膜的FBAR射頻濾波器，其機電耦合系數可為AlN的4倍。ε-Ga₂O₃具有突出的材料綜合性能（圖3），可以解決現有AlN濾波器在帶寬方面存在的不足，在5G射頻技術中具有極高的應用潛力。（文章鏈接https://doi.org/10.1002/advs.202203927）

論文信息

題目：ε-Ga₂O₃: an Emerging Wide Bandgap Piezoelectric Semiconductor for Application in Radio Frequency Resonators

(來源：DT半導體 )