背景介绍
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。
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。
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。
图1 ε-Ga2O3薄膜的压电效应PFM测量
图2 基于ε-Ga2O3薄膜的SAW射频谐振器工作特性
ε-Ga2O3的压电系数为d33=10.8~11.2 pm/V，理论上基于ε-Ga2O3薄膜的FBAR射频滤波器，其机电耦合系数可为AlN的4倍。ε-Ga2O3具有突出的材料综合性能（图3），可以解决现有AlN滤波器在带宽方面存在的不足，在5G射频技术中具有极高的应用潜力。（文章链接https://doi.org/10.1002/advs.202203927）
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