上海光学精密机械研究所----上海光机所在<label style="text-transform: lowercase;">n</label>型β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>单晶光电性能调控方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第六百零三期)

2025年2月12日

上海光机所在n型β-Ga₂O₃单晶光电性能调控方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部研究团队联合高功率激光元件技术与工程部研究团队在n型β-Ga₂O₃单晶光电性能调控方面取得进展，相关成果以“Tungsten donors doping in β-gallium oxide single crystal”为题发表于Applied Physics Letters。

β-Ga₂O₃作为新型极/超宽禁带半导体材料，性能优异、应用广泛、潜力巨大。Ga₂O₃单晶作为功率器件应用的前提是需要有效的对β-电学性能进行调控，因此β-Ga₂O₃单晶的光电性能调控，一直备受关注。W⁶⁺离子作为潜在的n型三电子施主，取代Ga³⁺离子以后，有望极大提高载流子的激活效率。而W⁶⁺离子半径(60 Å)与Ga³⁺离子半径(62 Å)相近，当W取代Ga以后，其失配度也更小。因此，研究W⁶⁺离子引入β-Ga₂O₃单晶后引起的光电性能提升极具意义。

研究团队采用光学浮区法，首次成功生长出掺W浓度分别为0.01 mol%、0.05 mol%和0.1 mol%的β-Ga₂O₃单晶，并对晶体结构与光电性能开展了研究。晶体在可见光范围都具有良好的透过性能，透过率在70 % ~ 80 %之间，W:β-Ga₂O₃晶体在红外区的透过率随着W浓度的升高而降低。W:β-Ga₂O₃晶体的紫外吸收截止边出现在255 nm，W的掺入使W:β-Ga₂O₃晶体在紫外波段约268 ~ 275 nm的吸收肩出现了趋于平滑的趋势。通过计算，W:β-Ga₂O₃晶体光学带隙在4.72 ~ 4.74 eV左右。W的掺入可将β-Ga₂O₃单晶的载流子浓度从9.55 × 10¹⁶cm^-3提高到3.92 × 10¹⁸cm^-3。研究表明W⁶⁺离子作为优异的n型施主，极大地提高了β-Ga₂O₃的导电性能，拓宽了对β-Ga₂O₃单晶电学性能调控的实现途径。该研究成果为n型β-Ga₂O₃单晶电学性能的提升提供了新的选择方案，对于推进β-Ga₂O₃功率器件的应用具有重要的科学价值。