廈門(mén)大學(xué)張洪良團(tuán)隊(duì)在氧化鎵半導(dǎo)體帶隙工程和日盲紫外光電探測(cè)器研究取得進(jìn)展

近年來(lái)，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(dú)特的光電性質(zhì)、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電子飽和速率等顯著優(yōu)勢(shì)，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(jìng)爭(zhēng)的新戰(zhàn)略高地。我國(guó)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(chǎng)，是新一代功率電子器件、深紫外日盲光電探測(cè)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(guó)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(guò)與Al2O3形成(AlxGa1-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(shí)現(xiàn)更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；更大的帶隙也使日盲光電探測(cè)器件響應(yīng)更寬的光譜范圍，實(shí)現(xiàn)日盲光的全覆蓋探測(cè)。另一方面，(AlxGa1-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(cè)技術(shù)（右圖）。

近期，廈門(mén)大學(xué)張洪良課題組聯(lián)合上海光機(jī)所齊紅基、陳端陽(yáng)團(tuán)隊(duì)，采用(AlxGa1-x)2O3合金化能帶工程，實(shí)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(duì)日盲紫外區(qū)全波段覆蓋的日盲光電探測(cè)器的開(kāi)發(fā)（圖2）。該系列的日盲紫外探測(cè)器檢測(cè)截止波長(zhǎng)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(cè)率（高達(dá)1015 Jones），較大的紫外可見(jiàn)抑制比（≈ 105），以及良好的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了具備數(shù)字接口的日盲紫外探測(cè)器測(cè)試模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)人造電弧的實(shí)時(shí)靈敏監(jiān)測(cè)（圖3）。全日盲紫外波段檢測(cè)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(gè)領(lǐng)域，通過(guò)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(cè)對(duì)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) (AlxGa1-x)2O3合金薄膜的帶隙演變；(c-d) (AlxGa1-x)2O3合金薄膜光電探測(cè)器對(duì)日盲波段的有效覆蓋。

圖3. 實(shí)現(xiàn)(AlxGa1-x)2O3合金薄膜光電探測(cè)器的電路集成，并完成對(duì)人造電弧信號(hào)的靈敏監(jiān)測(cè)。

另一方面，作者也通過(guò)高分辨X射線光電子能譜與密度泛函理論（DFT）計(jì)算對(duì)(AlxGa1-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(cè)器中器件優(yōu)異性能的來(lái)源（圖4）。研究發(fā)現(xiàn)，(AlxGa1-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(duì)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(jià)帶邊變化較小，因?yàn)樗鼈冎饕烧紦?jù)的O 2p態(tài)組成，與Ga 3d雜化較少。計(jì)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(AlxGa1-x)2O3的高電子遷移率。這一特性為實(shí)現(xiàn)全日盲波段覆蓋的高性能日盲紫外光電探測(cè)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

圖4. (AlxGa1-x)2O3合金薄膜的電子結(jié)構(gòu)演變。

本研究工作為開(kāi)發(fā)高靈敏多光譜的日盲紫外光電探測(cè)器，以及(AlxGa1-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 (AlxGa1-x)2O3 Alloyed Thin Films for High-Performance Solar-Blind Ultraviolet Fully Covered Photodetectors”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Optical Materials上，廈門(mén)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和深圳市基礎(chǔ)研究專項(xiàng)的資助和支持。