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‌【会员论文】J. Alloy. Compd.丨四川大学杨治美副教授的团队：质子辐照与氧退火对β-Ga₂O₃外延片光致发光特性及带隙的影响

日期：2026-03-12阅读：43

由四川大学杨治美副教授的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为Impact of Proton Irradiation and Oxygen Annealing on the Photoluminescence and Bandgap of β-Ga₂O₃ Epitaxial Wafer（质子辐照与氧退火对 β-Ga₂O₃ 外延片光致发光特性及带隙的影响）的文章。

背景

β-Ga₂O₃ 是一种极具潜力的超宽带隙（UWBG）半导体，其带隙约为 4.9 eV，具有 8 MV/cm 的极高击穿电场和高达 3444 的巴利加优值。这些特性使其成为下一代航空航天功率电子器件和日盲紫外（UV）光电探测器（PD）的理想材料。的本征缺陷（尤其是氧空位 V_O）对其光电性能有决定性影响。缺陷能级会改变光子吸收效率，调控 V_O 浓度可以优化探测器的响应速度、抑制比和内部增益。此外，高浓度的 V_O 还会引起持久光电导（PPC）效应，这在构建类脑神经形态光电突触器件中具有重要作用。辐照常被用于在半导体中诱导点缺陷，以调节材料性质。在 β-Ga₂O₃ 中，大多数辐照会产生 V_O 和镓空位（V_Ga）的复合物，通常导致光致发光（PL）猝灭。然而，以往针对质子辐照的研究结果存在差异：低剂量或高能质子辐照有时会增强 PL 强度，而低能质子辐照的影响则较为复杂。因此，系统研究特定能量质子辐照及其后的退火动力学对器件应用至关重要。

主要内容

缺陷控制对 β-Ga₂O₃基光电子学的发展至关重要。本研究通过 5 MeV 质子辐照及后续高温氧退火处理，系统探究了缺陷对 β-Ga₂O₃ 外延片光电特性的影响。质子辐照导致 Ga-O 键断裂，产生包括氧空位 (V_O)、镓空位 (V_Ga)、镓氧双空位 (V_Ga-V_O) 及氧间隙原子 (O_i) 在内的复杂缺陷，引发显著的光致发光淬灭与带隙缩窄现象。值得注意的是，在 1 × 10¹⁶ p/cm² 的超高辐照通量下，辐射诱导的热退火效应可实现结构与缺陷态的部分原位恢复；后续氧退火能有效修复晶格损伤，尤其在 900 ℃ 退火后可将光学与结构特性恢复至辐射前水平。本研究阐明了 β-Ga₂O₃ 在质子辐照与热处理过程中的损伤与恢复动力学机制，为缺陷工程优化其性能以应用于先进光探测器及类脑光电子器件提供了关键洞见。

创新点

• 质子辐照导致 β-Ga₂O₃ 发光强度显著下降。

• 质子辐照诱导的氧空位通过缩窄 β-Ga₂O₃ 带隙产生效应。

• 高温氧退火可有效修复质子辐照造成的损伤。

• 高通量质子辐照引发的原位退火能部分恢复 β-Ga₂O₃ 外延层的损伤。

结论

本研究系统探讨了 5 MeV 质子辐照及后续高温氧后退火对 β-Ga₂O₃ 外延片晶体结构、缺陷态及光学吸收特性的影响。结果表明，质子辐照对整体晶体结构和质量的破坏程度较小，主要损伤发生在 Ga_ⅠO₄ 单元上。然而质子辐照显著促进非辐射缺陷形成，导致光致发光强度明显降低。此外，辐照还催生了辐射缺陷，如 V_O, V_GaI-V_OⅢ⁰ 或 V_GaI-V_OI^1-, V_GaI^2- 及 O_i⁰ 等。诱导的 V_O 缺陷大多与位于 O_Ⅰ 位点的氧原子相关，进而导致能隙缩窄。同时，S16 样品中的外延层因辐照期间的退火效应而部分恢复结晶性。高温氧后退火能有效修复辐照诱导缺陷并恢复晶体质量。总体而言，这些发现为 β-Ga₂O₃ 光探测器及光电子仿生突触的缺陷工程提供了重要启示。

项目支持

本研究得到国家自然科学基金（61974096）的支持。感谢四川大学分析检测中心提供的XPS检测服务，并衷心感谢闫曙光在XPS分析方面给予的帮助。感谢四川大学分析检测中心在实验中的协助。衷心感谢四川大学分析测试中心吴莉教授完成拉曼光谱测量工作。

图1. SRIM 模拟结果：（a）质子分布；（b）Se 和 Sn 的深度分布；（c）各层 V_O 和 V_Ga 的分布；（d）不同通量下的 V_O+V_Ga 分布。

图2. S0、S14、S15 和 S16 在室温下的拉曼光谱。

图3. β-Ga₂O₃ 样品的 PL 光谱：(a) S0、S14、S15 和 S16； (b) S0、S0-A500、S0-A700、S0-A900；(c) S15、S15-A500、S15-A700、S15-A900。图 (a) 插图为黑色虚线框所示区域的放大视图。

图4. 经去卷积处理的 PL 光谱：（a）S0，（b）S14，（c）S15，（d）S16，（e）S0-A900，（f）S15-A900。图（a）插图为包含不同参与 PL 跃迁的能带图示意图。

图5. (a) O 1s能谱；(b) O₁, O₂ 和 O₃ 面积比；(c) O₂/(O₁+O₂)的比值； (d) 测得的 XPS O 1s 峰与非弹性能损谱；(e) (i) S0、(ii) S14、(iii) S15、(iv) S16 及 (v) S15-A900的 Tauc 图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.187124