近日，中山大學王鋼教授、陳梓敏副教授、盧星副教授等在寬禁帶氧化鎵（Ga₂O₃）半導體材料的壓電特性和射頻器件應用研究中取得了重要進展，團隊首次開發出一種基于ε-Ga₂O₃半導體材料的射頻諧振器，該器件有望取代傳統基于AlN半導體材料的射頻諧振器。研究成果以“ε-Ga₂O₃: an Emerging Wide Bandgap Piezoelectric Semiconductor for Application in Radio Frequency Resonators”為題，發表在期刊《Advanced Science》上。

隨著5G技術的普及，現階段可供使用的通訊頻段已超過30個，如何合理和高效地使用不同通訊頻段受到了越來越多的關注。因此，射頻濾波器在通信領域扮演著越來越重要的角色，僅手機射頻前端對濾波器芯片的需求就高達每年百億顆以上，開發高性能的射頻濾波器尤為重要。應用于射頻前端的濾波器芯片主要采用壓電材料制備：在低頻波段（<2 GHz），主流的商用射頻濾波器主要采用基于壓電晶體鈮酸鋰或鉭酸鋰的聲表面波諧振器（Surface Acoustic Wave, SAW）；而在高頻波段（>2 GHz），則主要采用基于壓電半導體AlN的薄膜體聲波諧振器（Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR）。目前，低頻濾波器已經實現了部分國產替代，但基于AlN的高頻濾波器芯片面臨著較多的技術和專利問題，市場需求的90%仍需依賴美國進口。

本研究采用異質外延薄膜生長技術，解決了高質量ε-Ga₂O₃薄膜的制備難題，并在此基礎上首次制備了ε-Ga₂O₃壓電諧振器，器件工作頻率在1~3 GHz。作為目前5G射頻濾波器的主流半導體材料， AlN的壓電常數僅為d₃₃=1~5 pm/V，導致材料的機電耦合系數小，無法很好地滿足5G通信技術的需求。而本研究提出的新型半導體材料ε-Ga₂O₃，具有禁帶寬（5 eV）、壓電系數高（d₃₃=11 pm/V）的優點，其機電耦合系數可為AlN的4倍。因此，采用ε-Ga₂O₃制備射頻諧振器、濾波器，可解決現有AlN射頻器件在帶寬方面存在的不足，突破我國在5G射頻芯片領域面臨的技術壁壘。

近年來，新型Ga₂O₃半導體材料由于其寬禁帶（4.9 eV）和高擊穿電場（8 MV/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。

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。本研究表明，ε-Ga₂O₃在壓電、射頻器件的應用方面具有優越的綜合性能（圖3）。

圖2. 基于ε-Ga₂O₃薄膜的SAW射頻諧振器工作特性。

圖3. 不同半導體的綜合性能對比。

來源：半導體學報