【会员论文】湖南大学&湖南师范大学Appl Phys Lett：构建氧化镓薄膜的可控掺杂方法和高性能光电探测器的优化掺杂密度

        超宽禁带半导体 Ga₂O₃ 因其卓越的光电性能（较高的击穿场强、良好的热稳定性以及直接对应日盲紫外波段的光谱响应范围）而成为下一代功率电子和光电器件的关键材料。而无意掺杂的 Ga₂O₃ 薄膜通常含有许多深能级缺陷，对于光电探测器而言，这些缺陷会导致电子和空穴捕获、持续光电导效应和暗电流的增大，从而抑制光电探测器的响应性能。通常元素掺杂策略可以用来有效限制氧空位缺陷的形成，改善薄膜质量。而合适的掺杂元素和杂质密度是构建高性能 Ga₂O₃ 光电探测器的关键。

        已有研究表明，Mg 掺杂剂具有较低的形成能和相对较浅的受主能级，使其易于掺杂，并且能有效提高 Ga₂O₃ 薄膜的空穴浓度，增强薄膜电学性能。为此，湖南大学和湖南师范大学的研究团队深入探索了不同的 Mg²⁺ 掺杂浓度对 Ga₂O₃ 薄膜光电性能的影响，基于溶胶凝胶法制备了一系列不同 Mg²⁺ 掺杂浓度的 Ga₂O₃ 薄膜。结果表明，Ga₂O₃ 薄膜的带隙会随着掺杂水平的提高而呈线性增加趋势，从而一定程度上实现了对薄膜带隙的可控调节。将这一系列薄膜制备成了光电探测器，在固定波长为 254 nm 的光照的测试下，结果表现出一些有趣的现象：器件的暗电流随着掺杂浓度的升高而降低，而器件的光电流则随着掺杂浓度的升高呈现出先增后减的趋势，掺杂器件的光电流均高于无意掺杂器件的光电流，且在掺杂浓度为 4.2% 时光电流达到最大值。最佳掺杂浓度 4.2% 的器件表现出 1.97 A/W 的响应度和 2.6×10³ 的光暗电流比，其上升时间和衰减时间分别为 0.91 s 和 1.20 s，各项性能参数相比无意掺杂的 Ga₂O₃ 器件均有显著改善。最后，结合了 DFT 理论计算，作者提出了掺杂后器件性能增强的物理机制。一方面，Mg 的掺杂增加了薄膜的光学带隙，导致更大的金属-半导体接触势垒，阻碍了电荷载流子的流动，从而降低了暗电流。另一方面，Mg 的掺杂引入的受主杂质能级，在紫外光激发下向价带提供了额外的空穴，从而增强了光电流，而随着掺杂浓度的增加，更大的薄膜带隙需要更高的激发能来产生光生电子空穴对，因此在掺杂浓度过高的情况下表现出光电流减弱的现象。

图1 溶胶凝胶法制备 Ga₂O₃ 薄膜流程及其相关材料表征。

图2 不同掺杂浓度下器件的光电性能。

图3 不同掺杂浓度下器件的时间响应特性。

图4 不同浓度掺杂的 DFT 理论计算。

图5 器件性能提升的物理机制。

        这项工作通过溶胶凝胶法研究了 Mg²⁺ 掺杂浓度对 Ga₂O₃ 薄膜光电性能的影响，测试了不同掺杂浓度下器件的光电性能差异，实现了优化掺杂密度的高性能光电探测器，并采用结合理论计算的方式分析并提出了器件性能改善的内在物理机制。这一掺杂的研究策略可以为其他元素的掺杂或其他半导体材料的优化提供借鉴，为未来半导体光电器件提供了有前景的方向。

原文链接：

doi.org/10.1063/5.0246775