【会员新闻】厦门大学张洪良团队在宽禁带氧化镓半导体领域取得新进展

      近日，厦门大学化学化工学院张洪良教授团队在Cell旗下物质科学子刊Cell Reports Physical Science，发表了题为“Deep UV transparent conductive oxide thin films realized through degenerately doped wide-bandgap gallium oxide”的学术论文。该工作报道了具有深紫外透明性、高导电性的Si掺杂Ga₂O₃宽禁带半导体薄膜，为宽禁带氧化镓半导体在紫外光电器件、有机半导体光电子和大功率电子器件中的应用提供了重要的指导。

      透明导电氧化物（TCOs）是一种独特的材料，它同时具有光学透明度和高导电性—这两种看似矛盾的特性。TCOs作为透明电极，已广泛应用于包括平板显示器、太阳能电池和发光二极管在内的现代光电子领域。近年来，随着紫外光电子学和有机光电子学的快速发展，对TCOs的性能提出了一系列新的需求。例如，AlGaN基深紫外激光器和发光二极管，要求其电极在深紫外区（200−300 nm波长范围）内保持透明性。但是，目前这种深紫外光LED和激光器的效率相当低（只有约1%），部分原因是由于深紫外光透明电极的匮乏。传统的TCOs，如Sn掺杂In₂O₃（ITO）、F掺杂SnO₂（FTO）和Al掺杂ZnO（AZO），其带隙均小于3.5 eV，在深紫外区是不透明的。此外，在有机发光二极管和薄膜晶体管中，有机半导体层的电子亲和能为2.5-3.5 eV，需要一个功函数低于3.5 eV的TCO层以提高电极向有机半导体层的电子注入效率。然而，大多数TCOs的功函数都大于4.2 eV。

      氧化镓（Ga₂O₃）是继氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等第三代半导体之后的一种新兴的超宽禁带半导体，具有禁带宽度更大、击穿场强更高、成本更低等突出优点，是新一代紫外光电器件和超大功率器件的优选材料。Ga₂O₃是一种具有超宽禁带（Eg~4.8 eV）的半导体，在深紫外光谱中具有透明性，并可进行简并的n型掺杂，这使得Ga₂O₃成为一种很有前景的深紫外TCOs候选材料。然而，目前为止，n型掺杂Ga₂O₃的电导率仍然低于TCOs所需的最小值~10³ S/cm。简并掺杂Ga₂O₃薄膜作为深紫外TCOs的基本光电性质和潜力尚未得到充分的研究。

      厦门大学张洪良教授团队利用脉冲激光沉积法成功制备了具有超高导电率和深紫外透明性的Si掺杂Ga₂O₃薄膜，其导电率高达2500 S/cm（图1和2）。所制备的Si掺杂Ga₂O₃在从红外光区到深紫外线光区内具有80%以上的高透过率（图2），能够满足以上AlGaN基紫外光电子学对透明电极的要求，具有巨大的应用前景。结合硬X射线光电子能谱和密度泛函理论计算，从电子结构的角度出发，揭示了由空间扩展的Ga 4s构成的导带和有效的Si掺杂是Si掺杂Ga₂O₃薄膜高迁移率和导电性的关键（图3）。另外，紫外光电子能谱表明Si掺杂Ga₂O₃薄膜功函数值很低，为3.26 eV−3.45 eV，远低于传统TCOs（图4），能够满足以上有机发光二极管和薄膜晶体管对电子注入层的要求。进一步的能带结构分析表明，Si掺杂Ga₂O₃的低功函数源于具有较高能量Ga 4s构成的导带导致的小的电子亲和能。值得注意的是，在导带中引入具有较低能量的In 5s轨道，即可通过In₂O₃合金化，来实现其功函数的调控，这对目前Si掺杂Ga₂O₃及其合金的进一步商业化应用具有重要意义。

图1. 晶体结构和变温电学数据

图2. Si掺杂Ga₂O₃薄膜的电学数据和光学透过率

图3. 硬X射线光电子能谱测的价带和导带谱以及理论计算所得的能带结构和态密度

图4. 紫外光电子能谱测得的二次电子截止边、功函数和相对于真空能级的能带位置

      厦门大学张洪良课题组博士生张佳业为本论文第一作者，张洪良、南方科技大学陈朗教授和伦敦学院大学David O. Scanlon教授为共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委员会和深圳市科技研究项目的支持。

      张洪良课题组近年来围绕氧化镓这一新兴超宽禁带半导体，获得了一系列的研究成果：构建了Ga₂O₃基日盲紫外光电探测器件（Adv. Optical Mater., 2022, 10, 2102138.），通过In掺杂增强价带的态密度，提高其光学吸收，使器件光电流大幅增加，最终实现了开关比超10⁸和比探测率高达4.5 × 10¹⁶ Jones的优异性能。此外，由于张洪良课题组在透明导电氧化物中取得的进展，该课题组先后获得APL Mater. 和Adv. Mater. 编辑部邀请, 分别撰写并发表了题为“Recent progress on the electronic structure, defect, and doping properties of Ga₂O₃”（APL Mater., 2020, 8, 020906.）和“Wide Bandgap Oxide Semiconductors: from Materials Physics to Optoelectronic Devices”（Adv. Mater., 2021, 33，2006230）的综述。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386422000716?via%3Dihub