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(fā)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(tǒng)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(fā)表在期刊《Advanced Science》上。
隨著5G技術(shù)的普及，現(xiàn)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(guān)注。因此，射頻濾波器在通信領(lǐng)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(fā)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(jīng)實現(xiàn)了部分國產(chǎn)替代，但基于AlN的高頻濾波器芯片面臨著較多的技術(shù)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(zhì)外延薄膜生長技術(shù)，解決了高質(zhì)量ε-Ga2O3薄膜的制備難題，并在此基礎(chǔ)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(shù)僅為d33=1~5 pm/V，導致材料的機電耦合系數(shù)小，無法很好地滿足5G通信技術(shù)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(shù)高（d33=11 pm/V）的優(yōu)點，其機電耦合系數(shù)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(xiàn)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(lǐng)域面臨的技術(shù)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(yōu)點，在半導體研究領(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（也有研究人員稱其為κ-Ga2O3）是氧化鎵的第二穩(wěn)定相，且ε-Ga2O3只能通過異質(zhì)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(shù)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(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(yōu)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
