【国内论文】中山大学卢星教授团队：基于4H-SiC衬底外延生长的ε-Ga₂O₃薄膜的高次谐波体声波谐振器及梳状滤波器

        由中山大学卢星教授的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control  发布了一篇名为 High-overtone Bulk Acoustic Resonators and Comb Filters using Epitaxial ε-Ga₂O₃ Films on 4H-SiC（基于 4H-SiC 衬底外延生长的 ε-Ga₂O₃ 薄膜的高次谐波体声波谐振器及梳状滤波器）的文章。

        本研究部分由国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0205300）和国家自然科学基金（项目编号：62471504）资助。

        高次谐波体声波谐振器（HBAR）是一种能够在极高频下工作并具有高品质因数的射频器件，在现代无线通信、频率控制和传感等领域具有重要应用价值。HBAR 的性能在很大程度上取决于其材料体系，它通常由一个压电薄膜换能器和一个高质量、低声学损耗的衬底构成。在氧化镓的多种晶相中，亚稳态的 ε-Ga₂O₃ 理论上具有很强的压电特性，是制造声学器件的潜力材料，但其压电性尚未得到充分的实验验证。碳化硅（4H-SiC）是一种声学品质极高的衬底材料，其声学损耗非常低，能够让声波在其内部以最小的衰减进行谐振。因此，将新型压电材料 ε-Ga₂O₃ 与高质量声学衬底 4H-SiC 相结合，有望开发出性能优异的新一代高频声学器件。

        本研究展示了一种新型高倍频体声波谐振器（HBAR），仅采用顶部电极，并利用生长在导电 4H-SiC 衬底上的外延 ɛ-Ga₂O₃ 压电薄膜制成。该器件展现出宽广的频率响应范围，覆盖 1 GHz 至 8 GHz，相邻模式之间的自由光谱范围（FSR）为 18.6 MHz。关键性能指标包括在 70 K 时 f·Q 积超过 1.2×10¹⁴ Hz，在 300 K 时超过 1.5×10¹³ Hz，以及出色的温度稳定性，表现为频率温度系数（TCF）为 −15.46 ppm/°C。提取了 ε-Ga₂O₃ 的声学参数，包括密度为 5001.7 kg/m³、弹性模量 C^D₃₃ 为 2.82×10¹¹ N/m²、纵向声波速度为 7596 m/s 以及固有电声耦合系数 k²t 为 7.9%。对理论 f·Q 极限和声学阻抗不匹配的评估表明，进一步提升性能具有巨大潜力。此外，通过横向耦合两个 ɛ-Ga₂O₃ HBAR，成功演示了梳状滤波器，在超过 5 GHz 的带宽内实现了超过 275 个等间距通带。这些结果凸显了基于 ɛ-Ga₂O₃ 的 HBAR 在先进射频应用中的巨大潜力。凭借其优异的压电和电子特性，ɛ-Ga₂O₃ 可实现声学器件与片上电子设备的单片集成，为紧凑型、高性能射频系统铺平了道路。

        作为新一代宽禁带半导体，ɛ-Ga₂O₃ 凭借其优异的功率电子学和压电性能，以及与现代微电子制造工艺的兼容性，展现出卓越的单片集成潜力。在本研究中，研究团队提出了并制备了基于导电 SiC 衬底上的外延 ɛ-Ga₂O₃ 薄膜的新型 HBARs。提取了 ɛ-Ga₂O₃ 的关键声学参数。理论 f·Q 极限和声学阻抗匹配分析表明仍有进一步优化的空间。此外，通过两个 ɛ-Ga₂O₃ HBAR 的侧向耦合实现了梳状滤波器，在 5 GHz 频带内获得超过 275 个通带。这些结果表明，异质外延 ɛ-Ga₂O₃ 压电薄膜在高性能射频声学器件领域具有巨大潜力。此外，与 ɛ-Ga₂O₃ 基电子器件（如MOSFET和HEMT）的单片集成潜力，为开发紧凑型高性能射频系统开辟了新途径。

图1. 仅具有顶部电极的HBAR示意图，采用外延 ɛ-Ga₂O₃-on-SiC 结构制备。

图2. (a) 对应样品的 2θ/ω 扫描图。 (b) ɛ-Ga₂O₃ (004) 面的摇摆曲线和 (c) ɛ-Ga₂O₃ (203) 面的摇摆曲线。

DOI：

doi.org/10.1109/TUFFC.2025.3594846