近日，中山大学王钢教授、陈梓敏副教授、卢星副教授等在宽禁带氧化镓（Ga2O3）半导体材料的压电特性和射频器件应用研究中取得了重要进展，团队首次开发出一种基于ε-Ga2O3半导体材料的射频谐振器，该器件有望取代传统基于AlN半导体材料的射频谐振器。研究成果以“ε-Ga2O3: an Emerging Wide Bandgap Piezoelectric Semiconductor for Application in Radio Frequency Resonators”为题，发表在期刊《Advanced Science》上。
随着5G技术的普及，现阶段可供使用的通讯频段已超过30个，如何合理和高效地使用不同通讯频段受到了越来越多的关注。因此，射频滤波器在通信领域扮演着越来越重要的角色，仅手机射频前端对滤波器芯片的需求就高达每年百亿颗以上，开发高性能的射频滤波器尤为重要。应用于射频前端的滤波器芯片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铌酸锂或钽酸锂的声表面波谐振器（Surface Acoustic Wave, SAW）；而在高频波段（>2 GHz），则主要采用基于压电半导体AlN的薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR）。目前，低频滤波器已经实现了部分国产替代，但基于AlN的高频滤波器芯片面临着较多的技术和专利问题，市场需求的90%仍需依赖美国进口。
本研究采用异质外延薄膜生长技术，解决了高质量ε-Ga2O3薄膜的制备难题，并在此基础上首次制备了ε-Ga2O3压电谐振器，器件工作频率在1~3 GHz。作为目前5G射频滤波器的主流半导体材料， AlN的压电常数仅为d33=1~5 pm/V，导致材料的机电耦合系数小，无法很好地满足5G通信技术的需求。而本研究提出的新型半导体材料ε-Ga2O3，具有禁带宽（5 eV）、压电系数高（d33=11 pm/V）的优点，其机电耦合系数可为AlN的4倍。因此，采用ε-Ga2O3制备射频谐振器、滤波器，可解决现有AlN射频器件在带宽方面存在的不足，突破我国在5G射频芯片领域面临的技术壁垒。
近年来，新型Ga2O3半导体材料由于其宽禁带（4.9 eV）和高击穿电场（8 MV/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。
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。本研究表明，ε-Ga2O3在压电、射频器件的应用方面具有优越的综合性能（图3）。
图2. 基于ε-Ga2O3薄膜的SAW射频谐振器工作特性。
图3. 不同半导体的综合性能对比。
来源：半导体学报
