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【会员论文】西安电子科技大学：p型掺杂β-Ga₂O₃光电特性与离子注入损伤研究
日期：2026-05-13阅读：41
由西安科技大学的研究团队在学术期刊《原子与分子物理学报》发布了一篇名为Study on photoelectric properties and ion implantation damage of p－type doped β-Ga₂O₃《p型掺杂β-Ga₂O₃光电特性与离子注入损伤研究》的文章。
背 景
氧化镓（Ga₂O₃）是一种具有超宽禁带（约 4.9 eV）的半导体材料，其临界击穿场强高达8 MV/cm，巴利加优值（BFOM）达到3444，这些特性均显著优于SiC和GaN等宽禁带半导体。凭借耐高压、大功率和抗辐射等优点，β-Ga₂O₃在场效应晶体管、肖特基二极管、日盲紫外光电探测器和气体传感器等领域展现出巨大的应用潜力。虽然 β-Ga₂O₃在紫外波段表现优异，但其在可见光范围内的吸收效率极低，这限制了其在更宽光谱范围内的光电器件应用。由于该材料存在天然的氧空位缺陷，通常表现出稳定的n型导电性 。更关键的是，其价带主要由氧原子的2p轨道组成，导致空穴有效质量极大，空穴迁移极其困难，使得制备高性能的p型导电材料成为制约其发展的核心瓶颈。为了改善材料性能，研究者通常采用掺杂手段。其中，离子注入作为主流的工业化方法，虽然能精确调控掺杂分布，但碰撞过程会产生位错、空位等级联缺陷，从而对靶材造成损伤。
主要内容
通过第一性原理计算，研究Bi和P掺杂β-Ga₂O₃的p型导电与光学性质，结合离子注入模拟探究Bi和P离子的分布与靶材损伤程度。计算结果表明，Bi 和 P 单掺杂引入杂质能级，为电子跃迁提供了新途 径; Bi-P共掺杂引入浅受主能级，其中，Bi2P2体系在价带顶 0. 11 eV处引入受主能级，有效提升空穴浓度， 增强β-Ga₂O₃的p型导电 。同时，Bi和P掺杂使β-Ga₂O₃光吸收系数扩展到可见光区域，且仍保持很强的 紫外吸收特性。进一步模拟离子注入过程，结果发现注入能量与离子射程呈近似正线性关系，同一注入能量下P离子射程更远，分布更分散; P离子低能注入核阻止占主导，高能注入电子阻止占主导，Bi离子的核阻止占主导，且离子注入的剂量越大对靶材的损伤程度越大。
创新点
●通过第一性原理计算发现，Bi-P共掺杂能引入浅受主能级。特别是Bi2P2体系在价带顶上方0.11 eV处引入了受主能级，能有效提升空穴浓度并增强p型导电性。
●Bi和P掺杂成功使β-Ga₂O₃的光吸收系数扩展到了可见光区域，同时仍保留了极强的紫外吸收特性，为开发多功能光电器件提供了可能。
●通过SRIM模拟发现，注入离子的射程与能量呈近似正线性关系。在相同注入能量下，P离子的射程比Bi离子更远且分布更分散。
结 论
采用DFT与Monte －Carlo的方法计算模拟了Bi和P掺杂β-Ga₂O₃的光电特性和离子注入损伤程度。 计算结果表明Bi掺杂β-Ga₂O₃引入了中间带，进一步减小带隙，对β-Ga₂O₃的p型导电有 一定促进作用; P掺杂引入了较深的受主能级， 能够为电子跃迁提供新的途径，提升β-Ga₂O₃的光吸收能力。 Bi-P共掺杂体系中形成了浅的受主能级，其中Bi2P2体系在价带顶0.11 eV处引入受主能级，从而提升空穴浓度，增强了p型导电 性，同时结合DOS和电荷密度分析，共掺杂体系中Bi原子和P原子之间存在轨道耦合和相互作用，两者的协同作用有效改善 β-Ga₂O₃ 的光电特性.光学性质结果表明Bi和P掺杂促使β-Ga₂O₃光吸收范围红移，吸收系数扩展到可见光波段， 且掺杂体系在紫外光区域仍然保持很强的吸收特性。在此基础上，进一步模拟Bi和P离子注入β-Ga₂O₃所造成的损伤，模拟结果表明离子射程与注入能量呈现近似正线性关系，相同注入能量下P离子射程大于Bi离子且P离子分布更加离散。Bi离子注入能量损失主要源于核阻止本领， 其贡献远大于电子阻止本领。 对于P离子，在低注入能量下以核阻止为主，而高能注入下转变为电子阻止为主。模拟中的两种离子能量主要是由反冲原子以不同形式损耗。损伤程度表明，Bi和P离子注入的PKA产额随深度增加均呈现先增加后降低的趋势，源于入射离子进入靶材后其能量持续损失，核阻止本领随之增强PKA产额不断增加;当核阻止效率最大时PKA产额达到峰值，随后核阻止本领降低产额减少。 核阻止能力越强，靶材在相同条件下的损伤程度越大。从DPA结果发现注入剂量是影响损伤程度的直接因素，注入剂量越大损伤越大。 通过第一性原理计算与离子注入模拟相结合，揭示了材料性能提升的本质，优化注入工艺，为开发高性能器件提供参考。
图 1 收敛性测试
图 2 β-Ga₂O₃的原胞结构图
图3 β-Ga₂O₃超胞结构图
图 4 AIMD 模拟能量动态曲线图
图 5 能带结构
图 6 TDOS 与 PDOS 图
图 7 ELF 图
图 8 本征和掺杂体系的β-Ga₂O₃光吸收性质
图 9 β-Ga₂O₃中 Bi 和 P 离子的射程图
图 10 Bi和P离子浓度的分布图
图 11 靶材的阻止机制图
图 12 电离能损图
图 13 PKA 分布图
图 14 不同能量与剂量Bi离子DPA分布图
图 15 不同能量与剂量P离子DPA分布图
知网链接：
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=8kKd7LBMH3zRDe68bQ-b7fgT0K0EBjHbXXETwDZm-8IZbbRoBl4yrXLRTxD3lLYRwFBkL0xTJKAxBlbSR78mfguaDqmFN6759Yw-gw9P44JDHRbfB2uah-fouE9NPfMb0s-PY8DojJsF3r_gSiPKObsXtA67Udcfn8bciPWT==&uniplatform=NZKPT&language=CHSlpQvvF1Bxt40zQ
