Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光、电特性研究

作为超宽禁带半导体材料之一，Ga2O3禁带宽度高达4.8 eV，理论击穿场强为8 MV/cm，是继GaN和SiC之后的下一代超宽禁带半导体材料，在高压电力控制、射频通信、日盲探测、恶劣环境信号处理等方面有着广阔的应用前景。近年来，4~6英寸氧化镓单晶生长技术取得突破性进展，极大地推动了氧化镓相关材料及器件的研究，正成为国际上超宽禁带半导体领域的研究和产业热点。

山东大学晶体材料国家重点实验室贾志泰教授、陶绪堂教授课题组在《人工晶体学报》2023年第8期发表了题为《Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光、电特性研究》（第一作者：陈绍华；通信作者：穆文祥、贾志泰）的研究论文。论文通过导模法生长了Ni掺杂β-Ga2O3单晶，其晶体的结晶质量较高，近红外波段未见明显的光吸收，具有半绝缘的电学性能，且光学带隙约为4.74 eV，紫外截止边仍在日盲波段内，可用于制备高温、高压以及大功率器件。

EFG法生长所获得的Ni掺杂β-Ga2O3晶体样品整体呈黄褐色（见图1(a)）。根据ICP测试结果（见表1）可知Ni实际掺入浓度为0.00645%，掺杂颜色较为均匀。PXRD测试结果（见图1(b)）表明，所生长晶体均为β相，无其他杂相的存在。不同点的劳厄衍射结果（见图2）证明晶体的单晶性较好，内部无多晶存在。

图1　Ni掺杂β-Ga2O3单晶照片(a)及其PXRD图谱(b)

表1　Ni掺杂β-Ga2O3晶体的ICP测试结果

图2　Ni掺杂β-Ga2O3单晶(100)面不同位置的劳厄衍射图样

图3　Ni掺杂β-Ga2O3单晶的紫外-可见光谱结果。(a)透过光谱;(b)(αhν)2和hν的Tauc图

Ni掺杂β-Ga2O3晶体的红外透过光谱（见图4）显示其在红外及近红外波段都保持较高的透过率；阴极荧光光谱（见图5）显示：晶体在240~600 nm的最大峰强在394 nm处，相比本征Ga2O3晶体红移了24.1 nm；在560~800 nm出现了明显的峰，最大峰强出现在695.1 nm处。说明Ni掺杂使Ga2O3晶体具有了一定宽带近红外发光特性，为β-Ga2O3晶体提供了用于宽带近红外发光器件领域的可能性。

图4　Ni掺杂β-Ga2O3单晶的红外透过光谱

图5　Ni掺杂β-Ga2O3单晶的CL光谱测试结果。(a)紫外-可见波段;(b)可见-近红外波段

结论

本文使用导模法生长了高质量Ni掺杂β-Ga2O3单晶。XRD图谱及劳厄衍射图样显示，晶体的结晶质量较高，晶体结构未因为掺杂发生改变。晶体的近红外波段未见明显的光吸收，具有半绝缘的电学性能，其光学带隙约为4.74 eV，紫外截止边仍在日盲波段内，作为半绝缘衬底可用于制备高温、高压以及大功率器件。本研究通过CL光谱发现了Ni掺杂β-Ga2O3单晶在600~800 nm波段的宽带近红外发光特性，表明其在宽带近红外领域具有较高的应用前景，为β-Ga2O3器件的丰富和快速发展提供了参考。

审核编辑：刘清