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

山東大學晶體材料國家重點實驗室賈志泰教授、陶緒堂教授課題組在《人工晶體學報》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。論文通過導模法生長了Ni摻雜β-Ga2O3單晶，其晶體的結(jié)晶質(zhì)量較高，近紅外波段未見明顯的光吸收，具有半絕緣的電學性能，且光學帶隙約為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法生長所獲得的Ni摻雜β-Ga2O3晶體樣品整體呈黃褐色（見圖1(a)）。根據(jù)ICP測試結(jié)果（見表1）可知Ni實際摻入濃度為0.00645%，摻雜顏色較為均勻。PXRD測試結(jié)果（見圖1(b)）表明，所生長晶體均為β相，無其他雜相的存在。不同點的勞厄衍射結(jié)果（見圖2）證明晶體的單晶性較好，內(nèi)部無多晶存在。

圖1　Ni摻雜β-Ga2O3單晶照片(a)及其PXRD圖譜(b)

表1　Ni摻雜β-Ga2O3晶體的ICP測試結(jié)果

圖2　Ni摻雜β-Ga2O3單晶(100)面不同位置的勞厄衍射圖樣

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

Ni摻雜β-Ga2O3晶體的紅外透過光譜（見圖4）顯示其在紅外及近紅外波段都保持較高的透過率；陰極熒光光譜（見圖5）顯示：晶體在240~600 nm的最大峰強在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，最大峰強出現(xiàn)在695.1 nm處。說明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4　Ni摻雜β-Ga2O3單晶的紅外透過光譜

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

結(jié)論

本文使用導模法生長了高質(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)未因為摻雜發(fā)生改變。晶體的近紅外波段未見明顯的光吸收，具有半絕緣的電學性能，其光學帶隙約為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)域具有較高的應用前景，為β-Ga2O3器件的豐富和快速發(fā)展提供了參考。

（來源：人工晶體學報）