上海光机所在n型β-Ga2O3单晶光电性能调控方面取得进展

图1 W:β-Ga2O3晶体的透射光谱(a)及光学带隙(b)

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部研究团队联合高功率激光元件技术与工程部研究团队在n型β-Ga2O3单晶光电性能调控方面取得进展，相关成果以“Tungsten donors doping in β-gallium oxide single crystal”为题发表于Applied Physics Letters。

β-Ga2O3作为新型极/超宽禁带半导体材料，性能优异、应用广泛、潜力巨大。Ga2O3单晶作为功率器件应用的前提是需要有效的对β-电学性能进行调控，因此β-Ga2O3单晶的光电性能调控，一直备受关注。W6+离子作为潜在的n型三电子施主，取代Ga3+离子以后，有望极大提高载流子的激活效率。而W6+离子半径(60 Å)与Ga3+离子半径(62 Å)相近，当W取代Ga以后，其失配度也更小。因此，研究W6+离子引入β-Ga2O3单晶后引起的光电性能提升极具意义。

研究团队采用光学浮区法，首次成功生长出掺W浓度分别为0.01 mol%、0.05 mol%和0.1 mol%的β-Ga2O3单晶，并对晶体结构与光电性能开展了研究。晶体在可见光范围都具有良好的透过性能，透过率在70 % ~ 80 %之间，W:β-Ga2O3晶体在红外区的透过率随着W浓度的升高而降低。W:β-Ga2O3晶体的紫外吸收截止边出现在255 nm，W的掺入使W:β-Ga2O3晶体在紫外波段约268 ~ 275 nm的吸收肩出现了趋于平滑的趋势。通过计算，W:β-Ga2O3晶体光学带隙在4.72 ~ 4.74 eV左右。W的掺入可将β-Ga2O3单晶的载流子浓度从9.55 × 1016 cm-3提高到3.92 × 1018 cm-3。研究表明W6+离子作为优异的n型施主，极大地提高了β-Ga2O3的导电性能，拓宽了对β-Ga2O3单晶电学性能调控的实现途径。该研究成果为n型β-Ga2O3单晶电学性能的提升提供了新的选择方案，对于推进β-Ga2O3功率器件的应用具有重要的科学价值。

表1 W:β-Ga2O3晶体室温霍尔性能测试结果

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

审核编辑 黄宇