厦门大学张洪良团队在氧化镓半导体带隙工程和日盲紫外光电探测器研究取得进展

近年来，以氮化镓（SiC）、碳化硅（GaN）等为代表的第三代（宽禁带）半导体由于其独特的光电性质、高击穿场强和电子饱和速率等显著优势，在显示、5G通讯、新能源汽车、轨道交通等高新产业领域逐渐获得重要应用。以宽禁带半导体为核心的技术和应用已成为全球半导体产业竞争的新战略高地。我国在“十四五”规划纲要中也提出大力发展第三代宽禁带半导体产业。氧化镓（Ga2O3）是继SiC、GaN之后的一种新兴的宽禁带半导体（禁带宽度为4.9 eV），具有比GaN（3.4 eV）、SiC（3.3 eV）更宽的禁带宽度，更高的击穿电场，是新一代功率电子器件、深紫外日盲光电探测器件的优选材料（图1）。氧化镓材料及器件作为半导体领域一颗冉冉升起的新星，受到了各国学术界和产业界的强烈关注。

氧化镓的禁带宽度可以通过与Al2O3形成(AlxGa1-x)2O3合金半导体进一步调控。一方面，更大的带隙可以使功率器件实现更高的击穿场强；更大的带隙也使日盲光电探测器件响应更宽的光谱范围，实现日盲光的全覆盖探测。另一方面，(AlxGa1-x)2O3合金半导体与Ga2O3形成的异质结，可以在界面处形成二维电子气(two dimensional electron gas, 2DEG)，能够应用于高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor, HEMT)器件。

图1. 半导体材料的发展历程（左图）和日盲深紫外光电探测技术（右图）。

近期，厦门大学张洪良课题组联合上海光机所齐红基、陈端阳团队，采用(AlxGa1-x)2O3合金化能带工程，实现了禁带宽度从4.8 eV到6 eV大范围调控，并在此基础上完成了对日盲紫外区全波段覆盖的日盲光电探测器的开发（图2）。该系列的日盲紫外探测器检测截止波长可以从263 nm调节到236 nm，响应峰从238 nm调节到209 nm，且具有优异的比探测率（高达1015 Jones），较大的紫外可见抑制比（≈ 105），以及良好的长时间运行稳定性。同时，该团队开发了具备数字接口的日盲紫外探测器测试模块，实现对人造电弧的实时灵敏监测（图3）。全日盲紫外波段检测技术能广泛应用在如天文学、地球气象学、材料科学、环境科学等各个领域，通过高精度地绘制日盲光区的光谱特征，为这些领域的监测对象提供了更加全面、精细的物质结构和化学组成信息。

图2. (a-b) (AlxGa1-x)2O3合金薄膜的带隙演变；(c-d) (AlxGa1-x)2O3合金薄膜光电探测器对日盲波段的有效覆盖。

图3. 实现(AlxGa1-x)2O3合金薄膜光电探测器的电路集成，并完成对人造电弧信号的灵敏监测。

另一方面，作者也通过高分辨X射线光电子能谱与密度泛函理论（DFT）计算对(AlxGa1-x)2O3的电子结构进行了深入的研究，并从电子结构和能带的角度分析了光电探测器中器件优异性能的来源（图4）。研究发现，(AlxGa1-x)2O3合金薄膜带隙的增大主要是由于在导带处引入了能量相对较高的Al 3s态，未占据Al 3s与Ga 4s杂化导致导带边上移。然而，价带边变化较小，因为它们主要由占据的O 2p态组成，与Ga 3d杂化较少。计算表明导带依然呈现高色散的状态，这意味着电子有效质量较低，可以维持(AlxGa1-x)2O3的高电子迁移率。这一特性为实现全日盲波段覆盖的高性能日盲紫外光电探测应用打下了坚实的理论依据。

图4. (AlxGa1-x)2O3合金薄膜的电子结构演变。

本研究工作为开发高灵敏多光谱的日盲紫外光电探测器，以及(AlxGa1-x)2O3能带调控和界面异质结二维电子气提供了重要的研究基础。相关工作以“Tuning the Bandgaps of (AlxGa1-x)2O3 Alloyed Thin Films for High-Performance Solar-Blind Ultraviolet Fully Covered Photodetectors”为题发表在国际著名期刊Advanced Optical Materials上，厦门大学博士研究生徐翔宇为论文第一作者。本工作得到了国家重点研发计划项目和深圳市基础研究专项的资助和支持。