作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，Ga2O3禁帶寬度高達(dá)4.8 eV，理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)為8 MV/cm，是繼GaN和SiC之后的下一代超寬禁帶半導(dǎo)體材料，在高壓電力控制、射頻通信、日盲探測(cè)、惡劣環(huán)境信號(hào)處理等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，4~6英寸氧化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，極大地推動(dòng)了氧化鎵相關(guān)材料及器件的研究，正成為國(guó)際上超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)。

山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室賈志泰教授、陶緒堂教授課題組在《人工晶體學(xué)報(bào)》2023年第8期發(fā)表了題為《Ni摻雜β-Ga2O3單晶的光、電特性研究》（第一作者：陳紹華；通信作者：穆文祥、賈志泰）的研究論文。論文通過(guò)導(dǎo)模法生長(zhǎng)了Ni摻雜β-Ga2O3單晶，其晶體的結(jié)晶質(zhì)量較高，近紅外波段未見(jiàn)明顯的光吸收，具有半絕緣的電學(xué)性能，且光學(xué)帶隙約為4.74 eV，紫外截止邊仍在日盲波段內(nèi)，可用于制備高溫、高壓以及大功率器件。

EFG法生長(zhǎng)所獲得的Ni摻雜β-Ga2O3晶體樣品整體呈黃褐色（見(jiàn)圖1(a)）。根據(jù)ICP測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表1）可知Ni實(shí)際摻入濃度為0.00645%，摻雜顏色較為均勻。PXRD測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖1(b)）表明，所生長(zhǎng)晶體均為β相，無(wú)其他雜相的存在。不同點(diǎn)的勞厄衍射結(jié)果（見(jiàn)圖2）證明晶體的單晶性較好，內(nèi)部無(wú)多晶存在。

圖1Ni摻雜β-Ga2O3單晶照片(a)及其PXRD圖譜(b)

表1Ni摻雜β-Ga2O3晶體的ICP測(cè)試結(jié)果

圖2Ni摻雜β-Ga2O3單晶(100)面不同位置的勞厄衍射圖樣

圖3Ni摻雜β-Ga2O3單晶的紫外-可見(jiàn)光譜結(jié)果。(a)透過(guò)光譜;(b)(αhν)2和hν的Tauc圖

Ni摻雜β-Ga2O3晶體的紅外透過(guò)光譜（見(jiàn)圖4）顯示其在紅外及近紅外波段都保持較高的透過(guò)率；陰極熒光光譜（見(jiàn)圖5）顯示：晶體在240~600 nm的最大峰強(qiáng)在394 nm處，相比本征Ga2O3晶體紅移了24.1 nm；在560~800 nm出現(xiàn)了明顯的峰，最大峰強(qiáng)出現(xiàn)在695.1 nm處。說(shuō)明Ni摻雜使Ga2O3晶體具有了一定寬帶近紅外發(fā)光特性，為β-Ga2O3晶體提供了用于寬帶近紅外發(fā)光器件領(lǐng)域的可能性。

圖4Ni摻雜β-Ga2O3單晶的紅外透過(guò)光譜

圖5Ni摻雜β-Ga2O3單晶的CL光譜測(cè)試結(jié)果。(a)紫外-可見(jiàn)波段;(b)可見(jiàn)-近紅外波段

結(jié)論

本文使用導(dǎo)模法生長(zhǎng)了高質(zhì)量Ni摻雜β-Ga2O3單晶。XRD圖譜及勞厄衍射圖樣顯示，晶體的結(jié)晶質(zhì)量較高，晶體結(jié)構(gòu)未因?yàn)閾诫s發(fā)生改變。晶體的近紅外波段未見(jiàn)明顯的光吸收，具有半絕緣的電學(xué)性能，其光學(xué)帶隙約為4.74 eV，紫外截止邊仍在日盲波段內(nèi)，作為半絕緣襯底可用于制備高溫、高壓以及大功率器件。本研究通過(guò)CL光譜發(fā)現(xiàn)了Ni摻雜β-Ga2O3單晶在600~800 nm波段的寬帶近紅外發(fā)光特性，表明其在寬帶近紅外領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用前景，為β-Ga2O3器件的豐富和快速發(fā)展提供了參考。

審核編輯：劉清