【国内论文】曲阜师范大学：碳离子辐照对β-Ga₂O₃缺陷形成及光学性质的影响

        本研究得到了国家自然科学基金（12205167）、中国博士后科学基金（2024M761751）和山东省自然科学基金（ZR2023LLZ015，ZR2024LLZ012）的支持。

        作为一种超宽带隙半导体材料，氧化镓（Ga₂O₃）存在五种多晶变体：α、β、γ、δ 和 ε。其中，β-Ga₂O₃ 具有优越的热力学稳定性，属于单斜晶系（空间群 C2/m）。其结构由 GaO₄ 四面体和 GaO₆ 八面体组成。这种材料的带隙为 4.8 eV，其吸收边位于太阳盲区（<280 纳米）。它还表现出对强电场和化学腐蚀的高稳定性，使其在 MOSFET、可饱和吸收体、日盲探测器、肖特基势垒二极管、透明导电电极和光伏电池等应用中具有广阔前景。

        精确调控 β-Ga₂O₃ 晶体的光学特性对于推进诸如日盲探测器、光调制器和肖特基势垒二极管等光电子器件的发展至关重要。本研究采用 15 MeV 碳离子对 β-Ga₂O₃ 进行辐照，发现 6 至 7 微米深度处出现晶格缺陷聚集，同时表面均方根粗糙度增加、压缩应变导致晶格畸变以及氧空位浓度升高。辐照诱导的缺陷充当非辐射复合中心，抑制了光致发光（PL）强度。此外，这些缺陷还导致 β-Ga₂O₃ 的紫外吸收减少和带隙变窄。这项工作展示了碳离子辐照对 β-Ga₂O₃ 光学特性的影响之深，为离子束工程优化超宽禁带半导体提供了见解。

        本研究系统地探究了 15MeV 碳离子辐照对 β-Ga₂O₃ 单晶微观结构和光学性能的影响。通过 SRIM 模拟结合光学显微镜观察发现，该能量的辐照会在 β-Ga₂O₃ 内部 6 至 7 微米深度范围内引发结构变化。原子力显微镜分析表明，辐照后表面均方根粗糙度增加了 208%，从 0.271 纳米增至 0.837 纳米。X 射线衍射、拉曼光谱和 X 射线光电子能谱分析表明，辐照后的 β-Ga₂O₃ 中键长缩短，且 V_O 浓度显著升高。在光学特性方面，观察到光致发光强度显著减弱，这归因于离子辐照引入的非辐射复合中心（如 V_O 和 V_Ga + V_O 复合物）浓度增加。此外，紫外吸收光谱显示强度降低，同时带隙缩小了 0.13 eV，表明缺陷介导了光吸收性能的调节。这些可量化的变化证实了碳离子辐照在调控 β-Ga₂O₃ 光学行为方面的有效性。

图 1. （a）两块原始的 β-Ga₂O₃ 晶体的照片。（b）15 MeV 碳离子辐照的 β-Ga₂O₃ 晶体示意图。

图 2. 用 SRIM 模拟的注入 15 MeV 碳离子的 β-Ga₂O₃ 中的级联生长现象。

DOI：

doi.org/10.1364/OE.570979