近年來，以氮化鎵（SiC）、碳化硅（GaN）等為代表的第三代（寬禁帶）半導(dǎo)體由于其獨特的光電性質(zhì)、高擊穿場強(qiáng)和電子飽和速率等顯著優(yōu)勢，在顯示、5G通訊、新能源汽車、軌道交通等高新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域逐漸獲得重要應(yīng)用。以寬禁帶半導(dǎo)體為核心的技術(shù)和應(yīng)用已成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭的新戰(zhàn)略高地。我國在“十四五”規(guī)劃綱要中也提出大力發(fā)展第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。氧化鎵（Ga₂O₃）是繼SiC、GaN之后的一種新興的寬禁帶半導(dǎo)體（禁帶寬度為4.9 eV），具有比GaN（3.4 eV）、SiC（3.3 eV）更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場，是新一代功率電子器件、深紫外日盲光電探測器件的優(yōu)選材料（圖1）。氧化鎵材料及器件作為半導(dǎo)體領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星，受到了各國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的強(qiáng)烈關(guān)注。

氧化鎵的禁帶寬度可以通過與Al₂O₃形成(Al_xGa_1-x)₂O₃合金半導(dǎo)體進(jìn)一步調(diào)控。一方面，更大的帶隙可以使功率器件實現(xiàn)更高的擊穿場強(qiáng)；更大的帶隙也使日盲光電探測器件響應(yīng)更寬的光譜范圍，實現(xiàn)日盲光的全覆蓋探測。另一方面，(Al_xGa_1-x)₂O₃合金半導(dǎo)體與Ga₂O₃形成的異質(zhì)結(jié)，可以在界面處形成二維電子氣(two dimensional electron gas, 2DEG)，能夠應(yīng)用于高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)器件。

圖1. 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程（左圖）和日盲深紫外光電探測技術(shù)（右圖）。

近期，廈門大學(xué)張洪良課題組聯(lián)合上海光機(jī)所齊紅基、陳端陽團(tuán)隊，采用(Al_xGa_1-x)₂O₃合金化能帶工程，實現(xiàn)了禁帶寬度從4.8 eV到6 eV大范圍調(diào)控，并在此基礎(chǔ)上完成了對日盲紫外區(qū)全波段覆蓋的日盲光電探測器的開發(fā)（圖2）。該系列的日盲紫外探測器檢測截止波長可以從263 nm調(diào)節(jié)到236 nm，響應(yīng)峰從238 nm調(diào)節(jié)到209 nm，且具有優(yōu)異的比探測率（高達(dá)10¹⁵ Jones），較大的紫外可見抑制比（≈ 10⁵），以及良好的長時間運行穩(wěn)定性。同時，該團(tuán)隊開發(fā)了具備數(shù)字接口的日盲紫外探測器測試模塊，實現(xiàn)對人造電弧的實時靈敏監(jiān)測（圖3）。全日盲紫外波段檢測技術(shù)能廣泛應(yīng)用在如天文學(xué)、地球氣象學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等各個領(lǐng)域，通過高精度地繪制日盲光區(qū)的光譜特征，為這些領(lǐng)域的監(jiān)測對象提供了更加全面、精細(xì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成信息。

圖2. (a-b) (Al_xGa_1-x)₂O₃合金薄膜的帶隙演變；(c-d) (Al_xGa_1-x)₂O₃合金薄膜光電探測器對日盲波段的有效覆蓋。

圖3. 實現(xiàn)(Al_xGa_1-x)₂O₃合金薄膜光電探測器的電路集成，并完成對人造電弧信號的靈敏監(jiān)測。

另一方面，作者也通過高分辨X射線光電子能譜與密度泛函理論（DFT）計算對(Al_xGa_1-x)₂O₃的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，并從電子結(jié)構(gòu)和能帶的角度分析了光電探測器中器件優(yōu)異性能的來源（圖4）。研究發(fā)現(xiàn)，(Al_xGa_1-x)₂O₃合金薄膜帶隙的增大主要是由于在導(dǎo)帶處引入了能量相對較高的Al 3s態(tài)，未占據(jù)Al 3s與Ga 4s雜化導(dǎo)致導(dǎo)帶邊上移。然而，價帶邊變化較小，因為它們主要由占據(jù)的O 2p態(tài)組成，與Ga 3d雜化較少。計算表明導(dǎo)帶依然呈現(xiàn)高色散的狀態(tài)，這意味著電子有效質(zhì)量較低，可以維持(Al_xGa_1-x)₂O₃的高電子遷移率。這一特性為實現(xiàn)全日盲波段覆蓋的高性能日盲紫外光電探測應(yīng)用打下了堅實的理論依據(jù)。

圖4. (Al_xGa_1-x)₂O₃合金薄膜的電子結(jié)構(gòu)演變。

本研究工作為開發(fā)高靈敏多光譜的日盲紫外光電探測器，以及(Al_xGa_1-x)₂O₃能帶調(diào)控和界面異質(zhì)結(jié)二維電子氣提供了重要的研究基礎(chǔ)。相關(guān)工作以“Tuning the Bandgaps of (Al_xGa_1-x)₂O₃ Alloyed Thin Films for High-Performance Solar-Blind Ultraviolet Fully Covered Photodetectors”為題發(fā)表在國際著名期刊Advanced Optical Materials上，廈門大學(xué)博士研究生徐翔宇為論文第一作者。本工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和深圳市基礎(chǔ)研究專項的資助和支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202300042

張洪良教授課題組主頁：https://khlzhang.xmu.edu.cn/

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