【国内论文】浙江大学杨德仁院士研究团队：氟对硅基铒掺杂氧化镓薄膜及器件的光电性能与晶体场对称性的影响

        由浙江大学杨德仁院士的研究团队在学术期刊 Applied Physics A 发布了一篇名为 Effects of fluorine on the optoelectronic properties and crystal field symmetry of silicon-based erbium doped gallium oxide films and devices（氟对硅基铒掺杂氧化镓薄膜及器件的光电性能与晶体场对称性的影响）的文章。

        随着集成电路尺寸缩小，传统电互连面临严重的信号串扰和功耗问题，开发高效的硅基光源成为实现硅基光电子集成、利用光子作为信息载体的关键。Er³⁺ 离子的 4f 内壳层跃迁位于 1540 nm 波段，且发射波长稳定。氧化镓因其禁带宽度（~4.9 eV）、 monoclinic 晶体结构带来的低对称性环境，被认为是 Er³⁺ 室温发光的理想材料。现有的硅基 Ga₂O₃:Er 发光器（LED）受限于氧化镓较差的导电性和 Er³⁺ 较低的光学活性，导致输出光强不足。

        已成功制备出氟共掺杂硅基铒掺杂氧化镓发光器件。研究团队探究了氟对器件光电性能及铒离子所在环境晶体场对称性的影响。结果表明，通过氟的共掺杂，器件的导电性与击穿场增强，使最大输入功率得以提升，输出强度增强至 5.6 µW/cm²。基于密度泛函理论计算，对比了晶体场对称性。通过对称性评估标准，确认了氟掺杂的优先占据位点。此外，实验证实氟元素引入将导致铒离子所在环境的 C_4v 对称性退化，从而显著增强铒离子的光学活性。

        ● 不同于传统的 Si⁴⁺ 或 Sn⁴⁺ 正电性供体，氟作为负电性供体取代 O^2- 位点，在不降低 Er³⁺ 浓度的情况下有效提升了载流子浓度，达到 10²⁰cm^-3。

        ● 氟离子的引入取代了 ErO₆ 八面体结构中的氧离子，使得原有的 C_4v 晶场对称性退化 。这种对称性的打破引入了额外的奇宇称成分，显著增强了 Er³⁺ 的跃迁几率和光学活性。

        ● 研究提出了一套基于 ErO₆ 八面体结构参数来定量评价晶场对称性的标准，并结合 DFT 计算验证了氟的最佳掺杂位置。

        基于实验结果和密度泛函理论计算，研究了 F⁻ 共掺杂对硅基 Ga₂O₃:Er 薄膜及器件的影响。实验表明，引入F⁻后，由于 Er³⁺ 掺杂产生的应力释放，Ga₂O₃ 基体晶粒尺寸将增大。在电学特性方面，引入的施主能级产生大量自由电子，使载流子浓度显著提升至约 10²⁰cm⁻³（原值约 10¹⁶cm⁻³）。此外，粗化晶粒结构使器件击穿电场增强，最大输入功率达 643.0 mW。在发光性能方面，经 F⁻ 共掺杂后，由于晶场改性增强了 Er³⁺ 的光学活性，直接光致发光强度显著提升。间接发光方面，因敏化剂 V_O 浓度降低，Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜及器件的发光强度受到限制。然而，得益于导电性与击穿电场的提升，Ga₂O₃:(Er, F) 器件的最大输出光功率密度可达5.6 µW/cm²，较纯 Ga₂O₃:Er 器件提升 2.7 倍。此外，基于 Er-O(F) 键长标准偏差，结合 O-Er-O(F) 键角与 90° 或 180°的平均偏差，建立了评估 Er³⁺离子所在晶体场对称性的标准。将该标准应用于通过密度泛函理论计算构建的 Ga₆₃ErO₉₆ 和 Ga₆₃ErO₉₅F 超胞时发现：当 O_Ⅰ和 O_Ⅲ 原子被置换时，晶体场对称性将被破坏；而当 O_Ⅱ 原子被置换时，则会形成更规整的晶体场。在这三种情况下，O_Ⅰ 原子占据的超胞具有最低能量，表明 F 原子主要会替代 O_Ⅰ 原子。因此，Er³⁺ 离子所在的晶体场环境对称性将降低，从而增强光学活性。

        本工作得到浙江省重点研究项目（2024C01054）的支持。

图2 密度泛函理论计算所得 F 原子分别置换(a) O_Ⅰ,(b) O_Ⅱ 和 (c) O_Ⅲ原子时 Ga₆₃ErO₉₅F 超单元的结构示意图。

图3 (a) Ga₂O₃:Er 和 (b) Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的表面扫描电子显微镜图像及晶粒尺寸分布曲线；(c) Ga₂O₃:Er 和 (d) Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的表面原子力显微镜图像。

图4 (a) Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的(αhv)²随 hv 变化曲线，(b) 价带 XPS 光谱，(c) O 1s 核心能级 XPS 光谱；(d) 基于 Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜制备的器件的J-V 曲线。

图5 Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的发光光谱，分别由(a) 980 nm 激光和 (b) 254 nm 氙灯激发；(c) 12 V (a) 980 nm 激光激发时；(b) 254 nm 氙灯激发时；(c) 12.5 V 电压下的电致发光光谱；(d) 基于 Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜器件的~1550 nm 输出功率密度与输入功率曲线。

DOI：

doi.org/10.1007/s00339-026-09341-4