圖1?W:β-Ga2O3晶體的透射光譜(a)及光學帶隙(b)

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部研究團隊聯合高功率激光元件技術與工程部研究團隊在n型β-Ga2O3單晶光電性能調控方面取得進展，相關成果以“Tungsten donors doping in β-gallium oxide single crystal”為題發表于Applied Physics Letters。

β-Ga2O3作為新型極/超寬禁帶半導體材料，性能優異、應用廣泛、潛力巨大。Ga2O3單晶作為功率器件應用的前提是需要有效的對β-電學性能進行調控，因此β-Ga2O3單晶的光電性能調控，一直備受關注。W6+離子作為潛在的n型三電子施主，取代Ga3+離子以后，有望極大提高載流子的激活效率。而W6+離子半徑(60 ?)與Ga3+離子半徑(62 ?)相近，當W取代Ga以后，其失配度也更小。因此，研究W6+離子引入β-Ga2O3單晶后引起的光電性能提升極具意義。

研究團隊采用光學浮區法，首次成功生長出摻W濃度分別為0.01 mol%、0.05 mol%和0.1 mol%的β-Ga2O3單晶，并對晶體結構與光電性能開展了研究。晶體在可見光范圍都具有良好的透過性能，透過率在70 % ~ 80 %之間，W:β-Ga2O3晶體在紅外區的透過率隨著W濃度的升高而降低。W:β-Ga2O3晶體的紫外吸收截止邊出現在255 nm，W的摻入使W:β-Ga2O3晶體在紫外波段約268 ~ 275 nm的吸收肩出現了趨于平滑的趨勢。通過計算，W:β-Ga2O3晶體光學帶隙在4.72 ~ 4.74 eV左右。W的摻入可將β-Ga2O3單晶的載流子濃度從9.55 × 1016 cm-3提高到3.92 × 1018 cm-3。研究表明W6+離子作為優異的n型施主，極大地提高了β-Ga2O3的導電性能，拓寬了對β-Ga2O3單晶電學性能調控的實現途徑。該研究成果為n型β-Ga2O3單晶電學性能的提升提供了新的選擇方案，對于推進β-Ga2O3功率器件的應用具有重要的科學價值。

表1?W:β-Ga2O3晶體室溫霍爾性能測試結果

該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。

審核編輯 黃宇