由中山大學(xué)王鋼教授、陳梓敏副教授團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Applied Surface Science 發(fā)布了一篇名為 Isotropic performance of surface acoustic wave resonators based on ε-Ga₂O₃(001) thin films（基于 ε-Ga₂O₃ (001) 薄膜的表面聲波諧振器的各向同性性能）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：62074167）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2023YFF1500700）、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2021B0101300005）的資助。

2. 背景

如今，SAW 器件以其體積小、制造成本低、靈敏度高和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在傳感、檢測、無線通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。基于 AlN（E_g = 6.2 eV，d₃₃≈5 pm/V）和 ZnO（E_g = 3.3 eV，d₃₃ ≈12.3 pm/V）等半導(dǎo)體薄膜的諧振器裝置受到越來越多的關(guān)注；然而，AlN 的壓電系數(shù)太低，無法在射頻諧振器中提供較高的機(jī)電耦合系數(shù)，而 ZnO 的帶隙不夠?qū)?，無法有效抑制漏電流。最近，ε-Ga₂O₃（E_g = 4.9 eV，d₃₃ ≈11 pm/V）被證明是一種新型壓電半導(dǎo)體，具有聲阻抗小、帶隙寬和壓電系數(shù)高等特點(diǎn)，是射頻諧振器應(yīng)用的有力競爭者。

3. 主要內(nèi)容

ε相氧化鎵（ε-Ga₂O₃）薄膜是一種新興的壓電半導(dǎo)體材料，具有在射頻諧振器中的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)薄膜材料如AlN（d₃₃ ≈ 5 pm/V）相比，ε-Ga₂O₃ 具備更高的壓電系數(shù)（d₃₃ ≈ 11 pm/V）。作為一種屬于正交晶系的材料，理論上 ε-Ga₂O₃ 在 (001) 晶面上應(yīng)表現(xiàn)出各向異性。然而，本研究對(duì)表面聲波（SAW）傳播特性的角度依賴性進(jìn)行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，ε-Ga₂O₃ (001) 晶面實(shí)際上表現(xiàn)出高度各向同性。對(duì) ε-Ga₂O₃ (001) 晶面不同晶向下的靜電、力學(xué)及熱力學(xué)特性進(jìn)行測量后發(fā)現(xiàn)，其標(biāo)準(zhǔn)差均小于 3%。通過電容測量提取的介電常數(shù)為 11.7 ± 0.1。對(duì)于 Rayleigh 模式的 SAW 諧振器，相速度與頻率溫度系數(shù)（TCF）分別為 3169 ± 4 m/s 和 −58.9 ± 1.7 ppm/°C；而對(duì)于 Sezawa 模式，則分別為 5319 ± 11 m/s 和 −58.9 ± 1.2 ppm/°C。這種正交晶系材料所表現(xiàn)出異常的各向同性可歸因于其內(nèi)部存在三重旋轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果為 ε-Ga₂O₃ 基 SAW 器件的未來發(fā)展與應(yīng)用提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)支持。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 本文制備并研究了基于 ε-Ga₂O₃ 的表面聲波（SAW）諧振器，重點(diǎn)探討其靜電特性、力學(xué)特性及熱力學(xué)性能。

● 在 ε-Ga₂O₃ (001)上制備的 SAW 器件表現(xiàn)出異常的各向同性特性，該現(xiàn)象可歸因于 ε-Ga₂O₃ 薄膜中存在三重旋轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)。

● 本研究還報(bào)道了 ε-Ga₂O₃ 的基礎(chǔ)參數(shù)，包括介電常數(shù)、相速度以及頻率的溫度系數(shù)（TCF）。

5. 結(jié)論

本研究在 (001) 晶面上系統(tǒng)研究了不同傳播角度（θ）下 ε-Ga₂O₃ 基表面聲波（SAW）諧振器的性能與特性。通過 X 射線衍射（XRD）對(duì) ε-Ga₂O₃ 薄膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行表征，其搖擺曲線半高寬（FWHM）為 0.19°，表明薄膜具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。(122) 晶面的 φ 掃描結(jié)果顯示該薄膜存在三重旋轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)。SAW 器件的性能通過靜態(tài)電容（C_exp）、相速度（v）、Bode-Q 值、品質(zhì)因數(shù)（FOM）以及頻率溫度系數(shù)（TCF）等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。在 (001) 面不同傳播方向上的各項(xiàng)測試中，所得到的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差極小，可忽略不計(jì)。提取得到 ε-Ga₂O₃ 的介電常數(shù)為 11.7 ± 0.1。在 Rayleigh 模式下，其相速度和 TCF 分別為 3169 ± 4 m/s 和 –58.9 ± 1.7 ppm/°C；在 Sezawa 模式下分別為 5319 ± 11 m/s 和 –58.9 ± 1.2 ppm/°C。實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面證明了 ε-Ga₂O₃ (001) 薄膜的各向同性特性，這種現(xiàn)象可以用三重旋轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)的存在來解釋。

圖 1. (a) 生長樣品的光學(xué)顯微鏡圖像 (b) 其SEM圖像和 (c) AFM圖像。(d) 藍(lán)寶石上生長的ε-Ga₂O₃ 樣品的 XRD 2θ 掃描和（e）搖擺曲線。(f）ε-Ga₂O₃（001）薄膜的 XRD φ 掃描。12 個(gè)衍射峰分為三組，每組衍射峰用不同顏色的圓圈表示。(g) 襯底與外延層之間的原子排列示意圖，顯示三組旋轉(zhuǎn)疇。

圖2。（a）沿不同方向在 ε-Ga₂O₃（001）薄膜上制造的諧振器的示意圖。θ表示SAW傳播方向與藍(lán)寶石<10-10>方向之間的角度。（b-d）SAW諧振器的結(jié)構(gòu)圖。諧振器的電極周期為2.4μm，外延層厚度為1.32μm。（e）SAW諧振器沿不同傳播方向的散射參數(shù)。（f）在共振頻率Rayleigh模式（1295.7 MHz）和Sezawa模式（2280.9 MHz）下模擬的SAW能量位移。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163959

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)