應(yīng)用于射頻濾波器的壓電半導(dǎo)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(shù)；前者有利于器件輸出功率和品質(zhì)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(dǎo)體材料，AlN具有足夠?qū)挼慕麕挾龋?.2 eV）；但AlN的壓電常數(shù)僅為d₃₃=1~5 pm/V，這意味著AlN材料的機(jī)電耦合系數(shù)小，相應(yīng)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(dǎo)體材料，是射頻器件研究領(lǐng)域的核心課題之一。近期，中山大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在寬禁帶壓電半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《ε-Ga₂O₃: an Emerging Wide Bandgap Piezoelectric Semiconductor for Application in Radio Frequency Resonators》為題，發(fā)表在國(guó)際期刊《Advanced Science》上，中山大學(xué)陳梓敏副教授為論文第一作者，中山大學(xué)盧星副教授、王鋼教授為論文通訊作者。

研究成果
近年來(lái)，新型氧化鎵（Ga₂O₃）半導(dǎo)體材料由于其寬禁帶（4.9eV）和高擊穿電場(chǎng)（8MV/cm）的優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體研究領(lǐng)域中引起了廣泛的關(guān)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(chēng)其為κ-Ga₂O₃）是氧化鎵的第二穩(wěn)定相，且ε-Ga₂O₃只能通過(guò)異質(zhì)外延生長(zhǎng)獲得。理論研究指出ε-Ga₂O₃具有較強(qiáng)的壓電極化效應(yīng)，但由于ε-Ga₂O₃薄膜的制備技術(shù)仍不成熟，因此目前尚缺乏對(duì)ε-Ga₂O₃壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用研究。

中山大學(xué)課題組通過(guò)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法，可在硅、藍(lán)寶石、碳化硅等襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)ε-Ga₂O₃薄膜；薄膜具有低殘余應(yīng)力、高結(jié)晶質(zhì)量的特點(diǎn)。通過(guò)采用壓電原子力顯微鏡（PFM），測(cè)量ε-Ga₂O₃薄膜沿c晶軸方向的壓電系數(shù)為d₃₃=10.8~11.2 pm/V（圖1），明顯高于AlN的壓電系數(shù)（d₃₃=1~5pm/V）。課題組采用半導(dǎo)體微加工工藝，首次實(shí)現(xiàn)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(nèi)存在顯著的壓電諧振（包括Rayleigh模式和Sezawa模式），進(jìn)一步驗(yàn)證了ε-Ga₂O₃薄膜材料在5G射頻波段的應(yīng)用潛力。

圖1 ε-Ga₂O₃薄膜的壓電效應(yīng)PFM測(cè)量

圖2 基于ε-Ga₂O₃薄膜的SAW射頻諧振器工作特性

總結(jié)與展望

ε-Ga₂O₃的壓電系數(shù)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(jī)電耦合系數(shù)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(xiàn)有AlN濾波器在帶寬方面存在的不足，在5G射頻技術(shù)中具有極高的應(yīng)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(lái)源：DT半導(dǎo)體 )