近日，信息科學與工程學院教授方志來研究團隊在高質量p型β-氧化鎵薄膜與高性能MSM型深紫外日盲光電探測器研究上取得重要進展。5月15日，相關研究結果以「P-type β-Ga2O3 metal-semiconductor-metal solar-blind photodetectors with extremely high responsivity and gain-bandwidth product」為題，在線發表於Materials Today Physics（https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100226）。
超寬禁帶半導體氧化鎵在紫外透明電極、高溫氣敏傳感、深紫外探測以及高壓功率器件等領域具有重要的應用潛力，其材料生長與器件製備技術備受關注。
目前，氧化鎵的p型摻雜仍面臨巨大挑戰。然而，這是高性能的氧化鎵光電器件和電子器件應用必須面對和解決的核心科學問題。P型氧化鎵製備困難主要源於其價帶組成（深受主能級與空穴自陷等）、生長技術（材料缺陷引入自補償效應）與摻雜技術（摻雜劑溶解度低）等問題。目前國際上尚未能製備出p型氧化鎵薄膜材料。實現高質量的p型氧化鎵薄膜材料製備具有非常重要的科學意義和應用價值，不僅可為寬禁帶氧化物半導體的p型摻雜提供新思路，還將極大地推動氧化鎵基光電器件和電子器件的應用進展。
最近，方志來團隊採用固-固相變原位摻雜技術，同時實現了高摻雜濃度、高晶體質量與能帶工程，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問題，在國際上首次成功製備了藍寶石襯底上的p型摻雜-氧化鎵薄膜：室溫霍爾載流子遷移率41.4 cm2/V·s，室溫霍爾空穴濃度2.86×1015 cm-3，霍爾電阻率52.6 Ωcm。獲得的p型-氧化鎵薄膜與器件的電學特性在5個月測試周期內保持穩定。
由於缺乏p型氧化鎵材料，p型氧化鎵基深紫外光電探測器鮮有報導。方志來團隊基於p型氧化鎵薄膜製備的MSM型深紫外日盲光電探測器具有極高響應度(9.5×103 A/W)、外量子效率(4.7×106 %)、探測率(1.5×1015 Jones)與增益帶寬積(106)（如圖1和圖2所示），這歸因於高質量的氮摻雜p型氧化鎵薄膜與其特有的激子集體激發效應，這對p型寬禁帶氧化物半導體深紫外光電探測器研究具有借鑑意義。高質量的p型氧化鎵材料與高性能的深紫外日盲光電探測器的成功製備可望推動氧化鎵材料在光電器件與電子器件領域的應用進展。
圖1 不同薄膜材料製備的深紫外光電探測器的響應度和探測率
圖2 不同薄膜材料製備的深紫外光電探測器的響應度、響應速度與增益帶寬積
碳化矽、氮化鎵、氧化鎵等第三代（寬禁帶）半導體材料具有耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射能力強等特點，是支撐新一代信息技術、節能減排和智能製造的核心材料，在固態照明、新一代移動通信、智能電網、高鐵、新能源汽車、消費類電子領域擁有廣闊的應用前景。
該工作是由方志來團隊同上海大學張統一院士、廈門大學康俊勇教授、南京大學葉建東教授、復旦大學張國旗教授和張浩副教授等團隊合作完成的。復旦大學為論文的第一單位，蔣卓汛和吳徵遠為共同第一作者，方志來為通訊作者。蔣卓汛為方志來在復旦大學指導的第一位碩士生，已以第一作者發表影響因子大於10的期刊論文2篇，申請氧化鎵發明專利多項。吳徵遠博士（博士生導師為方志來）入選了2019年度「博新計劃」，博士後合作導師為張國旗和方志來。