【会员论文】同济大学徐军教授、唐慧丽教授研究团队：空气退火对Bi掺杂β-Ga₂O₃单晶的光学和发光性质的影响

        由同济大学徐军教授、唐慧丽教授研究团队在学术期刊 Journal of Luminescence 发布了一篇名为 The Effect of Air Annealing on the Optical and Luminescence Properties of Bi-Doped β-Ga₂O₃ Single Crystals（空气退火对 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的光学和发光性质的影响）的文章。

        本研究得到上海市科技计划项目（No. 23511102302）和国家自然科学基金（No. 12375181 和 12275194）的资助。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为一种有前途的第四代超宽带隙半导体材料，因其约 4.9 eV 的带隙和掺杂相容性，在紫外线日盲检测和功率器件领域展现出显著潜力。通过光学浮区（OFZ）方法生长时，β-Ga₂O₃ 具有显著优势，包括快速生长周期和无坩埚加工，可实现高质量单晶体生产。这些特性使 β-Ga₂O₃ 在半导体光学研究中脱颖而出，并具有广阔的应用前景。

        在本研究中，探讨了 1000 ℃ 空气退火对 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的结构、形态及光学性质的影响。通过对比未退火样品与空气退火样品在晶体结构、表面形态及光学性质方面的变化，揭示了空气退火对表面元素分布及粗糙度的影响。此外，通过光谱分析，探讨了退火诱导的空位缺陷对发光性质的调控机制。这些发现将有助于深入理解 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的光学性质及复合过渡过程。

        β-Ga₂O₃ 作为一种极具前景的第四代超宽带隙半导体材料，可通过光学浮区法生长为铋掺杂单晶。本研究探讨了空气退火对 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的光学和发光性能的影响。对比生长样品与空气退火样品发现，退火通过环境氧补偿降低了 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶中的 V_O 浓度。退火后，透射光谱显示载流子浓度显著降低，而 PL 光谱表现出荧光强度增强及衰减时间延长，且 GL 发射比例增加，这归因于 V_Ga 含量的提升。这一现象是由于载流子浓度降低有效抑制了奥格复合，从而增强了以辐射复合为主的发光过程。这些发现不仅阐明了退火对 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶光学性质的影响，还进一步深化了我们对其复合过渡机制的理解。

        • 研究了空气退火对 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的影响。

        • 退火后，荧光强度显著增强，衰减时间延长。

        • 进行退火处理后，超宽带隙特性仍保持不变。

        本研究探讨了 1000 °C 空气退火对 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶基本性质的影响，特别关注其光学性质。研究发现，退火会引发晶体再结晶，导致表面粗糙度增加和晶体质量不均匀，但同时提高了可见光透过率。此外，空气退火通过环境氧气补偿了 V_O 的浓度，但同时增加了 V_Ga 的浓度，从而显著增强了与 V_Ga 相关的 GL 发射。此外，退火后 PL 衰减时间延长，这可能与非辐射跃迁的抑制有关。这些发现不仅揭示了退火对 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶光学性质的影响，还进一步加深了对其复合跃迁的理解。未来研究将扩展退火温度和时间范围，并结合缺陷演化计算与腐蚀分析，以优化器件制备并提升性能。

图1. 在两种不同处理条件下拍摄的 UID 和 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶片的照片。

图2. 不同处理条件下 UID 和 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的 XRD 谱图及摇摆曲线：（a）全范围 XRD 谱图；（b）UID的摇摆曲线；（c）Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的摇摆曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jlumin.2025.121367