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【国内论文】中国人民解放军国防科技大学：β-Ga₂O₃中杂质诱导的选择性短平均自由程声子散射的实验证据
日期：2025-10-28阅读：117
由中国人民解放军国防科技大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Experimental evidence of impurity-induced selective short-mean-free-path phonon scatterings in β-Ga2O3（β-Ga2O3 中杂质诱导的选择性短平均自由程声子散射的实验证据）的文章。
项目支持
本研究得到了国防科技大学科研基金项目、国家自然科学基金（Grant Nos. 12304307 ， 12534013）以及湖南省科技创新计划（Grant Nos. 2025ZYJ001 ， 2021RC4026）的支持。
背 景
日盲深紫外（DUV）光电探测器在火焰探测、安全通信和环境监测等领域具有重要应用，尤其是在高温等恶劣环境中。β-氧化镓（β-Ga2O3）因其超宽禁带（约4.9 eV）和优异的热化学稳定性，是制造此类探测器的理想材料。然而，Ga2O3 光电探测器的性能受到其内部本征缺陷的严重影响，特别是氧空位和镓空位。氧空位虽然能通过延长光生载流子寿命来提供光电导增益，从而提高响应度，但同时也会导致暗电流增大和持续光电导（PPC）效应，使器件响应速度变慢。因此，通过一种有效的空位工程方法，精确调控这些缺陷的浓度，以寻求在响应度、响应速度和暗电流之间达到最佳平衡，是提升 Ga2O3 探测器综合性能的关键。
主要内容
理解声子与杂质的相互作用对于调节和评估用于散热和热电转换的材料的晶格热导率（LTC）至关重要。声子-杂质散射定理已确立数十年，认为对高频或短平均自由程（MFP）的声子有主要影响。然而，迄今为止对含杂质晶体的所有测量都表明，声子对 LTC 的贡献在整个 MFP 范围内受到抑制，这存在争议。在此，采用一种改进的频域热反射法，加热频率高达 200 MHz，测量了有前景的超宽带隙半导体 β-Ga2O3 的 LTC 及其声子 MFP 谱，低至约 50 nm，并报告了杂质引起的 MFP 短于约 500 nm 的声子谱贡献的选择性降低。这项工作采用了一种改进的超高加热频率热反射法作为探测声子物理的有效手段，为杂质与高频声子的选择性相互作用提供了基本的实验依据，并将指导具有理想热输运性能材料的设计。
创新点
● 首次系统地研究了退火温度对 β-Ga2O3 中两种关键本征空位（VO 和 VGa）浓度的同时调控作用，并揭示了它们此消彼长的关系。
● 创新性地阐明了 VO 和 VGa 在光电探测过程中的协同与制衡机制，即 VO 主要影响暗电流和响应速度，而 VGa 主要影响光电导增益和响应度，为性能优化提供了清晰的物理图像。
● 通过缺陷调控，成功制备了在 200°C 高温下仍能保持高性能的日盲探测器，解决了许多实际应用中的关键难题。
结 论
采用改进的 BB-FDTR 技术，沿 [100] 晶面测量了原始 β-Ga2O3 单晶与锡掺杂 β-Ga2O3 单晶的 LTC 和 MFP 谱。原始 β-Ga2O3 中声子的最大 MFP 约为 1 nm，且 MFP 小于 100 nm 的声子贡献占比超过 50%。这些结果填补了 β-Ga2O3 声子 MFP 谱的关键认知空白，为功率电子学应用中的热管理与晶圆减薄工艺优化提供了指导。通过对锡掺杂样品的对比测量，在声子 MFP 谱中观察到两种状态：MFP 低于 ~500 nm 的声子贡献减少，而长 MFP 声子影响可忽略。实验结果证实了高频下声子与杂质的选择性相互作用。
图 1. （a）改进型 BB-FDTR 实验装置示意图。泵浦激光器的波长为 405 nm，调制频率为 f1；探测激光器的波长为 808 nm，调制频率为 f2。经 20 倍物镜聚焦并从样品表面反射后，混合频率的探测激光携带频率为 f1 + f2 和 f2 - f1 的信号。“检测”表示由光电探测器接收到的反射混合频率探测激光，其经过低通滤波器后，去除频率为 f1 + f2 的高频信号，保留频率为 f2 - f1 的低频信号。最终的相位数据由锁相放大器收集。（b）在低加热频率 f1 下，热渗透深度远大于所有声子的平均自由程，导致声子扩散传输，测量值等于体 LTC。随着 f1 的增加，热渗透深度接近或小于某些声子的平均自由程，导致部分声子的弹道传输，测量值低于体 LTC。
图2. 原始 β-Ga2O3 的测量结果。(a) 100 kHz 至 200 MHz 频率范围内 f1 区域的灵敏度。(b) 采用单个与 f1 无关的跨平面 LTC 拟合整个频率范围内的热相位，所得数值低于体 LTC。多窗口拟合揭示了跨平面 LTC 对 f1 的依赖性。
图3. 室温下原始 β-Ga2O3 与锡掺杂 β-Ga2O3 的声子平均自由程谱实验测量结果，并附理论计算对比。阴影区域表示测量不确定度。
图4. (a) 杂质诱导的短均自由程或高频声子散射。不同均自由程或频率的声子分别用周期和长度不同的正弦曲线表示。(b) 不同均自由程声子对长程有序的贡献。杂质会降低短均自由程声子对长程有序的贡献。实线为多项式拟合的视觉参考线。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0293469
