【国内论文】上海电机学院王相虎教授团队：厚度对Zn掺杂β-Ga₂O₃薄膜光电性能的影响

        由上海电机学院王相虎教授的研究团队在学术期刊 Physica B: Condensed Matter 发布了一篇名为 The Effect of Thickness on the Optoelectronic Properties of Zn doped β-Ga₂O₃ Thin Films（厚度对Zn掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜光电性能的影响）的文章。

        本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U22A2073）的资助。

        作为一种新兴的超宽禁带半导体材料（UWBG，带隙约 4.9 eV），β-Ga₂O₃ 具有超高击穿电场（8 MV/cm）、优异的热化学稳定性以及对日盲区紫外光（200–280 nm）的高灵敏度，因此在功率电子器件和深紫外光电器件领域受到广泛关注，尤其适用于高性能日盲紫外探测。然而，实现稳定的 p 型 β-Ga₂O₃ 仍然是一项重大挑战，主要受氧空位等本征缺陷、缺乏有效的 p 型掺杂剂、以 O 2p 轨道为主的平坦价带顶以及严重的空穴自陷效应等因素的制约。先前的研究表明，Zn 掺杂可以有效地改变 β-Ga₂O₃ 的电子结构和缺陷态，形成浅受主能级并抑制氧空位，从而提高其光电性能。理论和实验结果均表明，锌掺杂可以调控晶格应变，增强整流特性，并为制备 p 型 β-Ga₂O₃ 提供一种可行的方法。然而，关于薄膜厚度对 Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ 的结构、应变、缺陷与电学性质的影响尚缺乏系统研究。本研究通过脉冲激光沉积在 c-蓝宝石上外延生长 Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜，系统探讨厚度调控对其光电性质及异质结整流特性的影响，为解决 β-Ga₂O₃ p 型不稳定性及开发高性能日盲紫外光探测器提供新思路。

本文系统研究了通过脉冲激光沉积（PLD）在 c-蓝宝石衬底上外延生长的 Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜（厚度 20–182 nm）的厚度依赖特性。随着薄膜厚度增加，晶体质量显著提升，界面应变减小（XRD 半高宽由 0.910° 降至 0.788°），晶粒高度增大（1.3 → 18.3 nm）。电学测试结果表明，载流子迁移率提高（1.13 → 1.63 cm²·V^-1·s^-1），电阻率降低，但体相仍保持 n 型导电特性。由于压应变的释放，光学带隙显著增宽（4.75 → 5.00 eV）。阴极发光分析证实 Zn 掺杂有效抑制了深能级缺陷。值得注意的是，β-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃:Zn 异质结表现出整流特性（导通电压约 5.1 V），尽管材料本身是 n 型导电，但在界面处表现出由界面效应诱导产生的 p 型导电性。本研究通过厚度优化的缺陷钝化与应变调控，解决了 β-Ga₂O₃ 材料中 p 型不稳定性的问题，为日盲紫外光探测器的发展提供了新途径。

        • 薄膜厚度增加可降低应变并促进晶粒生长，从而优化结构。

        • 电学性能随厚度提升而改善，表现为迁移率提高、电阻率降低。

        • 带隙展宽使其具备可调的光学吸收特性，适用于紫外应用。

        • 通过氧空位钝化抑制缺陷，从而增强发光性能。

        • 异质结表现出整流特性，显示出界面诱导的 p 型导电性。

        本研究阐明了薄膜厚度对 Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜光电性能的显著影响。随着生长时间从 10 分钟延长至 90 分钟，薄膜结晶质量提升、残余应变减小，并促进了晶粒沿垂直方向生长（晶粒高度由 1.3 nm 增至 18.3 nm），从而改善了电学性能，包括电阻率降低（3.81 × 10⁶ Ω·cm）和载流子迁移率提高（1.63 cm²·V^-1·s^-1）。厚膜中观察到的带隙展宽（4.75 → 5.00 eV）以及缺陷相关发光的抑制，证实了 Zn 掺杂对氧空位的有效钝化作用。值得注意的是，虽然晶体本身的电学测试结果表明样品仍以 n 型导电为主，但 β-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃:Zn 异质结表现出明显的整流特性（开启电压约 5.1 V），显示出界面诱导的 p 型导电性。更重要的是，尽管由于补偿效应 Zn 掺杂未能实现整体的 p 型导电性，但其在材料中形成的受主态成功赋予了 β-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃:Zn 异质结明确的整流性能。这一结果表明，通过界面诱导获得的 p 型功能性是一种可行且有效的策略，可绕过 β-Ga₂O₃ p 型导电难题，为实现日盲紫外光探测器提供了新途径。基于厚度调控的策略有效缓解了界面应变问题，并实现了具有功能性的异质结器件，加速了其在日盲紫外探测领域的应用进程。

图 1. (a) 生长 90 分钟的 Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的截面扫描电子显微镜（SEM）图像。(b) 通过以 90 分钟薄膜厚度为基准进行线性拟合，估算了生长 10 分钟和 40 分钟薄膜的厚度。

图 2. (a) 生长 10 分钟、40 分钟和 90 分钟的 Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱。(b) β-氧化镓 (-201) 衍射峰强度衰减图。(c) 从 (-201) 衍射峰计算得到的层间距 (d-spacing)。

图 3. β-Ga₂O₃: Zn 薄膜的原子力显微镜（AFM）形貌图，生长时间分别为 (a) 10 分钟，(b) 40 分钟，(c) 90 分钟。(d) 平均晶粒高度随生长时间的变化趋势。

图 4. (a) 生长 10 分钟、40 分钟和 90 分钟的 Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的光学透射光谱。(b) 薄膜的(αhν) ²与hν的曲线图。

图 5. (a) 不同生长时间（10、40 和 90 分钟）的 β-Ga₂O₃:Zn 薄膜的阴极发光（CL）光谱。(b) β-Ga₂O₃:Zn 薄膜在紫外和蓝光区域观察到的 CL 峰对应的发光路径示意图。

图 6. (a) β-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃:Zn 异质结器件结构示意图。(b) β-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃:Zn 异质结在室温下的电流-电压（I–V）特性曲线。结果显示明显的非线性整流行为，开启电压约为 5.1 V，验证了 p 型 β-Ga₂O₃:Zn 薄膜的成功制备。

图 7. n 型 β-Ga₂O₃/p 型 β-Ga₂O₃:Zn 异质结在平衡状态下的能带示意图。(a) 接触前，n 型层的费米能级接近导带（E_C），而 Zn 掺杂层界面富含受主态（Zn_Ga），将费米能级拉近价带（E_V）。(b) 接触后，费米能级达到平衡，导致 n 型层出现显著的能带向上弯曲，并形成耗尽区（W_d）。界面处高密度的负固定电荷（N_A）是内建电势（V_bi）和整流行为的来源。

DOI:

doi.org/10.1016/j.physb.2025.417946