中山大学王钢教授团队：基于ε-Ga₂O₃(001)薄膜的表面声波谐振器的各向同性性能
由中山大学王钢教授、陈梓敏副教授团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Isotropic performance of surface acoustic wave resonators based on ε-Ga2O3(001) thin films（基于 ε-Ga2O3 (001) 薄膜的表面声波谐振器的各向同性性能）的文章。
1. 项目支持
本研究得到了国家自然科学基金项目（编号：62074167）、国家重点研发计划项目（编号：2023YFF1500700）、广东省重点领域研发计划项目（编号：2021B0101300005）的资助。
2. 背景
如今，SAW 器件以其体积小、制造成本低、灵敏度高和稳定性好等特点，在传感、检测、无线通信等领域得到了广泛应用。基于 AlN（Eg = 6.2 eV，d33≈5 pm/V）和 ZnO（Eg = 3.3 eV，d33 ≈12.3 pm/V）等半导体薄膜的谐振器装置受到越来越多的关注；然而，AlN 的压电系数太低，无法在射频谐振器中提供较高的机电耦合系数，而 ZnO 的带隙不够宽，无法有效抑制漏电流。最近，ε-Ga2O3（Eg = 4.9 eV，d33 ≈11 pm/V）被证明是一种新型压电半导体，具有声阻抗小、带隙宽和压电系数高等特点，是射频谐振器应用的有力竞争者。
3. 主要内容
ε相氧化镓（ε-Ga2O3）薄膜是一种新兴的压电半导体材料，具有在射频谐振器中的应用潜力。与传统薄膜材料如AlN（d33 ≈ 5 pm/V）相比，ε-Ga2O3 具备更高的压电系数（d33 ≈ 11 pm/V）。作为一种属于正交晶系的材料，理论上 ε-Ga2O3 在 (001) 晶面上应表现出各向异性。然而，本研究对表面声波（SAW）传播特性的角度依赖性进行系统分析后发现，ε-Ga2O3 (001) 晶面实际上表现出高度各向同性。对 ε-Ga2O3 (001) 晶面不同晶向下的静电、力学及热力学特性进行测量后发现，其标准差均小于 3%。通过电容测量提取的介电常数为 11.7 ± 0.1。对于 Rayleigh 模式的 SAW 谐振器，相速度与频率温度系数（TCF）分别为 3169 ± 4 m/s 和 −58.9 ± 1.7 ppm/°C；而对于 Sezawa 模式，则分别为 5319 ± 11 m/s 和 −58.9 ± 1.2 ppm/°C。这种正交晶系材料所表现出异常的各向同性可归因于其内部存在三重旋转畴结构。本研究结果为 ε-Ga2O3 基 SAW 器件的未来发展与应用提供了关键基础参数支持。
4. 创新点
● 本文制备并研究了基于 ε-Ga2O3 的表面声波（SAW）谐振器，重点探讨其静电特性、力学特性及热力学性能。
● 在 ε-Ga2O3 (001)上制备的 SAW 器件表现出异常的各向同性特性，该现象可归因于 ε-Ga2O3 薄膜中存在三重旋转畴结构。
● 本研究还报道了 ε-Ga2O3 的基础参数，包括介电常数、相速度以及频率的温度系数（TCF）。
5. 结论
本研究在 (001) 晶面上系统研究了不同传播角度（θ）下 ε-Ga2O3 基表面声波（SAW）谐振器的性能与特性。通过 X 射线衍射（XRD）对 ε-Ga2O3 薄膜的结构性质进行表征，其摇摆曲线半高宽（FWHM）为 0.19°，表明薄膜具有较高的结晶质量。(122) 晶面的 φ 扫描结果显示该薄膜存在三重旋转畴结构。SAW 器件的性能通过静态电容（Cexp）、相速度（v）、Bode-Q 值、品质因数（FOM）以及频率温度系数（TCF）等参数进行评估。在 (001) 面不同传播方向上的各项测试中，所得到的结果标准差极小，可忽略不计。提取得到 ε-Ga2O3 的介电常数为 11.7 ± 0.1。在 Rayleigh 模式下，其相速度和 TCF 分别为 3169 ± 4 m/s 和 –58.9 ± 1.7 ppm/°C；在 Sezawa 模式下分别为 5319 ± 11 m/s 和 –58.9 ± 1.2 ppm/°C。实验结果全面证明了 ε-Ga2O3 (001) 薄膜的各向同性特性，这种现象可以用三重旋转畴结构的存在来解释。
图 1. (a) 生长样品的光学显微镜图像 (b) 其SEM图像和 (c) AFM图像。(d) 蓝宝石上生长的ε-Ga2O3 样品的 XRD 2θ 扫描和（e）摇摆曲线。(f）ε-Ga2O3（001）薄膜的 XRD φ 扫描。12 个衍射峰分为三组，每组衍射峰用不同颜色的圆圈表示。(g) 衬底与外延层之间的原子排列示意图，显示三组旋转畴。
图2。（a）沿不同方向在 ε-Ga2O3（001）薄膜上制造的谐振器的示意图。θ表示SAW传播方向与蓝宝石<10-10>方向之间的角度。（b-d）SAW谐振器的结构图。谐振器的电极周期为2.4μm，外延层厚度为1.32μm。（e）SAW谐振器沿不同传播方向的散射参数。（f）在共振频率Rayleigh模式（1295.7 MHz）和Sezawa模式（2280.9 MHz）下模拟的SAW能量位移。
DOI：
doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163959
本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号