【国内论文】JAC丨长春光机所团队实现Zn掺杂调控ε-Ga₂O₃压电性能，推动高性能表面声波谐振器发展

        由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室、中国科学院大学材料科学与光电工程中心的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Improvement of ε-Ga₂O₃-based surface acoustic wave resonator via Zn doping（通过掺 Zn 改进基于 ε-Ga₂O₃的表面声波谐振器）的文章。

        表面声波（SAW）器件是 5G、6G 无线通信系统与各类传感设备的核心元器件，当前商用 SAW 器件大多基于铌酸锂、钽酸锂单晶衬底制备，难以与半导体芯片工艺兼容。AlN、ZnO 等压电薄膜可外延生长在硅基衬底上，集成优势突出，但 ZnO 禁带宽度窄、漏电流大，AlN 压电系数偏低，二者性能存在固有短板。ε-Ga₂O₃ 作为新型超宽禁带压电半导体，兼具高击穿电场与本征压电效应，在高频 SAW 器件领域极具潜力，但该相属于亚稳态材料，薄膜生长过程易产生氧空位缺陷，晶体质量差、表面粗糙度高，直接导致压电系数低，谐振器机电耦合系数与品质因子难以满足通信器件使用需求。现有改善 ε-Ga₂O₃ 薄膜的工艺多采用多步缓冲层高温生长，制备流程复杂不利于工业化量产；各类单元素掺杂对 ε-Ga₂O₃ 压电性能、SAW 谐振器综合性能的系统性调控规律仍缺乏完整研究，缺少可简化制备、同步提升薄膜结晶质量与器件声学性能的掺杂优化方案。

        表面声波（SAW）器件拥有广泛且重要的应用前景。ε-Ga₂O₃ 作为新兴压电半导体，兼具宽禁带与优良压电特性，受到大量关注。该团队研究了 Zn 掺杂对 ε-Ga₂O₃ 压电特性以及对应 SAW 器件性能的影响。结果表明，Zn 掺杂可显著提升 c 面蓝宝石基底上 ε-Ga₂O₃ 薄膜的晶体质量与表面平整度，同时降低氧空位浓度，进而增强压电响应，压电系数d₃₃ 由 4.8 pC/N 提升至 9.3 pC。此外，掺 Zn 后 ε-Ga₂O₃ 基表面声波谐振器机电耦合系数 K² 由 0.99% 提升至 1.84%，品质因子 Q 由 503 提升至 543，谐振器件性能得到改善。该工作为研发高性能 ε-Ga₂O₃ 基 SAW 器件提供了可行方案。

        ①采用 Zn 掺杂工艺同步降低 ε-Ga₂O₃ 外延薄膜氧空位缺陷浓度、提升晶体质量。

        ②证实 Zn 掺杂可将 ε-Ga₂O₃ 薄膜压电系数d33提升近一倍。

        ③通过 Zn 改性实现 ε-Ga₂O₃ 表面声波谐振器机电耦合系数与品质因子同步显著提升。

        ④表征掺 Zn ε-Ga₂O₃ 谐振器温度稳定特性，并与已报道宽禁带声学器件完成性能对标。

        综上，该研究探究了 Zn 掺杂对 ε-Ga₂O₃ 压电性能及其表面声波器件性能的影响。掺入 Zn 元素可大幅提升薄膜结晶质量，并有效抑制氧空位缺陷浓度。相较于生长于 c 面蓝宝石的纯 ε-Ga₂O₃ 薄膜，掺 Zn 样品压电系数 d₃₃ 由 4.8 pC/N 大幅提升至 9.3 pC。此外，基于掺 Zn ε-Ga₂O₃ 制备的双端口表面声波谐振器机电耦合系数达 1.84%，品质因子为 543，分别提升约 85%、8%。该研究成果为实现高性能 ε-Ga₂O₃ 基表面声波器件技术提供可行优化思路与重要参考依据。

        本研究得到国家自然科学基金（12304112、12304111、62574203）、中国科学院青年创新促进会（2020225）、江苏省科技重大专项（BG2024030）资助。