ε-Ga₂O₃：一种新兴宽禁带压电半导体在射频谐振器中的应用研究

第一作者及研究机构
本研究的通讯作者为Xing Lu和Gang Wang，来自中山大学电子与信息技术学院（School of Electronics and Information Technology, Sun Yat-sen University）。合作单位包括中山大学光电材料与技术国家重点实验室（State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies）以及工业和信息化部电子第五研究所（No.5 Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology）。研究发表于期刊*Advanced Science*，时间为2022年9月。

学术背景
随着物联网（IoT）和5G技术的快速发展，射频（RF）前端滤波器需求激增。当前5G滤波器主要基于氮化铝（AlN）压电谐振器，但其压电常数（d₃₃）较低（ pm/V），限制了器件性能。因此，开发具有更高压电性能的宽禁带半导体成为研究重点。ε-Ga₂O₃作为一种新兴的氧化镓（Ga₂O₃）同分异构体，理论预测其具有强自发极化和压电效应（d₃₃≈23–79 μC/cm²），但其实验验证尚未实现。本研究旨在通过实验证实ε-Ga₂O₃的压电特性，并探索其在射频谐振器中的应用潜力。

研究流程
1. 材料制备
- 方法：采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石（sapphire）和硅（Si）衬底上异质外延生长ε-Ga₂O₃薄膜。
- 关键参数：生长温度分两步（530–560°C成核层，600–640°C外延层），氧镓比（VI/III≈100），薄膜厚度为0.6–1.2 μm。
- 质量控制：通过高分辨率X射线衍射（HRXRD）和透射电子显微镜（TEM）确认薄膜为纯ε相（无β-Ga₂O₃杂相），摇摆曲线半高宽（FWHM）低至0.19°–0.31°，残余应力为-0.69至-0.91 GPa（通过Stoney方程计算）。

1. 压电性能表征

   • 技术：采用切换谱压电力显微镜（SS-PFM）测量压电常数d₃₃。
     
   • 样品处理：为避免衬底干扰，将生长于Si(111)的ε-Ga₂O₃/AlN异质结构（360 nm/50 nm）转移至金属衬底，并通过机械研磨和ICP刻蚀去除硅衬底。
     
   • 结果：测得d₃₃为10.8–11.2 pm/V，是AlN（≈5 pm/V）的两倍。滞后回线分析表明ε-Ga₂O₃可能存在铁电性（需进一步验证）。
     

2. 声表面波（SAW）谐振器验证

   • 器件制备：在ε-Ga₂O₃/蓝宝石上制作叉指换能器（IDT），波长λ=2.4 μm。
     
   • 测试：网络分析仪显示谐振频率为1–3 GHz，对应Rayleigh模式（1.32–1.61 GHz）和Sezawa模式（2.19–2.54 GHz）。
     
   • 仿真：通过有限元法（FEM）拟合声波色散曲线，确定ε-Ga₂O₃密度为4.8 g/cm³，声阻抗（Zₐc）为3×10⁷ kg/(m²·s)，低于AlN（3.2×10⁷ kg/(m²·s)）。
     

主要结果
1. 材料特性：ε-Ga₂O₃薄膜具有低残余应力（<1 GPa）和高结晶质量（FWHM<0.31°），优于溅射AlN薄膜（FWHM通常>1°）。
2. 压电性能：实验首次证实ε-Ga₂O₃的d₃₃达11 pm/V，其机电耦合系数（k₃₃²）理论上是AlN的4倍。
3. 器件性能：SAW谐振器在GHz频段表现出多模式振动，验证了ε-Ga₂O₃在射频滤波器中的可行性。

结论与价值
本研究首次实验证实ε-Ga₂O₃具有优异的压电性能，并成功演示了其在SAW谐振器中的应用。其宽禁带（4.9 eV）、高声阻抗和低残余应力特性，使其成为5G射频滤波器的理想候选材料。科学价值在于填补了ε-Ga₂O₃压电特性的实验空白，应用价值则为下一代高频通信器件提供了新材料选择。

研究亮点
1. 方法创新：开发了MOCVD生长高纯ε-Ga₂O₃薄膜的工艺，解决了异质外延难题。
2. 技术突破：通过SS-PFM精确测量d₃₃，并结合SAW器件验证了理论预测。
3. 应用潜力：ε-Ga₂O₃的综合性能（压电性、宽禁带、低阻抗）可能推动射频器件的革新。

其他价值
研究还指出，ε-Ga₂O₃的热膨胀系数（1.4×10⁻⁵ K⁻¹）与AlN接近，有助于提升器件的热稳定性。未来需进一步优化薄膜均匀性和铁电性机制。