由浙江大學(xué)楊德仁院士的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Applied Physics A 發(fā)布了一篇名為 Effects of fluorine on the optoelectronic properties and crystal field symmetry of silicon-based erbium doped gallium oxide films and devices（氟對(duì)硅基鉺摻雜氧化鎵薄膜及器件的光電性能與晶體場(chǎng)對(duì)稱性的影響）的文章。

一、 背景

隨著集成電路尺寸縮小，傳統(tǒng)電互連面臨嚴(yán)重的信號(hào)串?dāng)_和功耗問(wèn)題，開(kāi)發(fā)高效的硅基光源成為實(shí)現(xiàn)硅基光電子集成、利用光子作為信息載體的關(guān)鍵。Er³⁺ 離子的 4f 內(nèi)殼層躍遷位于 1540 nm 波段，且發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定。氧化鎵因其禁帶寬度（~4.9 eV）、 monoclinic 晶體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的低對(duì)稱性環(huán)境，被認(rèn)為是 Er³⁺ 室溫發(fā)光的理想材料?，F(xiàn)有的硅基 Ga₂O₃:Er 發(fā)光器（LED）受限于氧化鎵較差的導(dǎo)電性和 Er³⁺ 較低的光學(xué)活性，導(dǎo)致輸出光強(qiáng)不足。

二、 主要內(nèi)容

已成功制備出氟共摻雜硅基鉺摻雜氧化鎵發(fā)光器件。研究團(tuán)隊(duì)探究了氟對(duì)器件光電性能及鉺離子所在環(huán)境晶體場(chǎng)對(duì)稱性的影響。結(jié)果表明，通過(guò)氟的共摻雜，器件的導(dǎo)電性與擊穿場(chǎng)增強(qiáng)，使最大輸入功率得以提升，輸出強(qiáng)度增強(qiáng)至 5.6 µW/cm²。基于密度泛函理論計(jì)算，對(duì)比了晶體場(chǎng)對(duì)稱性。通過(guò)對(duì)稱性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)了氟摻雜的優(yōu)先占據(jù)位點(diǎn)。此外，實(shí)驗(yàn)證實(shí)氟元素引入將導(dǎo)致鉺離子所在環(huán)境的 C_4v 對(duì)稱性退化，從而顯著增強(qiáng)鉺離子的光學(xué)活性。

三、 創(chuàng)新點(diǎn)

● 不同于傳統(tǒng)的 Si⁴⁺ 或 Sn⁴⁺ 正電性供體，氟作為負(fù)電性供體取代 O^2- 位點(diǎn)，在不降低 Er³⁺ 濃度的情況下有效提升了載流子濃度，達(dá)到 10²⁰cm^-3。

● 氟離子的引入取代了 ErO₆ 八面體結(jié)構(gòu)中的氧離子，使得原有的 C_4v 晶場(chǎng)對(duì)稱性退化 。這種對(duì)稱性的打破引入了額外的奇宇稱成分，顯著增強(qiáng)了 Er³⁺ 的躍遷幾率和光學(xué)活性。

● 研究提出了一套基于 ErO₆ 八面體結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)定量評(píng)價(jià)晶場(chǎng)對(duì)稱性的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合 DFT 計(jì)算驗(yàn)證了氟的最佳摻雜位置。

四、 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論計(jì)算，研究了 F⁻ 共摻雜對(duì)硅基 Ga₂O₃:Er 薄膜及器件的影響。實(shí)驗(yàn)表明，引入F⁻后，由于 Er³⁺ 摻雜產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，Ga₂O₃ 基體晶粒尺寸將增大。在電學(xué)特性方面，引入的施主能級(jí)產(chǎn)生大量自由電子，使載流子濃度顯著提升至約 10²⁰cm⁻³（原值約 10¹⁶cm⁻³）。此外，粗化晶粒結(jié)構(gòu)使器件擊穿電場(chǎng)增強(qiáng)，最大輸入功率達(dá) 643.0 mW。在發(fā)光性能方面，經(jīng) F⁻ 共摻雜后，由于晶場(chǎng)改性增強(qiáng)了 Er³⁺ 的光學(xué)活性，直接光致發(fā)光強(qiáng)度顯著提升。間接發(fā)光方面，因敏化劑 V_O 濃度降低，Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜及器件的發(fā)光強(qiáng)度受到限制。然而，得益于導(dǎo)電性與擊穿電場(chǎng)的提升，Ga₂O₃:(Er, F) 器件的最大輸出光功率密度可達(dá)5.6 µW/cm²，較純 Ga₂O₃:Er 器件提升 2.7 倍。此外，基于 Er-O(F) 鍵長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)合 O-Er-O(F) 鍵角與 90° 或 180°的平均偏差，建立了評(píng)估 Er³⁺離子所在晶體場(chǎng)對(duì)稱性的標(biāo)準(zhǔn)。將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于通過(guò)密度泛函理論計(jì)算構(gòu)建的 Ga₆₃ErO₉₆ 和 Ga₆₃ErO₉₅F 超胞時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng) O_Ⅰ和 O_Ⅲ 原子被置換時(shí)，晶體場(chǎng)對(duì)稱性將被破壞；而當(dāng) O_Ⅱ 原子被置換時(shí)，則會(huì)形成更規(guī)整的晶體場(chǎng)。在這三種情況下，O_Ⅰ 原子占據(jù)的超胞具有最低能量，表明 F 原子主要會(huì)替代 O_Ⅰ 原子。因此，Er³⁺ 離子所在的晶體場(chǎng)環(huán)境對(duì)稱性將降低，從而增強(qiáng)光學(xué)活性。

五、 項(xiàng)目支持

本工作得到浙江省重點(diǎn)研究項(xiàng)目（2024C01054）的支持。

圖1 密度泛函理論計(jì)算所得的 (a)Ga₂O₃ 和 (b)-(c) Ga₆₃ErO₉₆ 超胞結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 密度泛函理論計(jì)算所得 F 原子分別置換(a) O_Ⅰ,(b) O_Ⅱ 和 (c) O_Ⅲ原子時(shí) Ga₆₃ErO₉₅F 超單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 (a) Ga₂O₃:Er 和 (b) Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的表面掃描電子顯微鏡圖像及晶粒尺寸分布曲線；(c) Ga₂O₃:Er 和 (d) Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的表面原子力顯微鏡圖像。

圖4 (a) Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的(αhv)²隨 hv 變化曲線，(b) 價(jià)帶 XPS 光譜，(c) O 1s 核心能級(jí) XPS 光譜；(d) 基于 Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜制備的器件的J-V 曲線。

圖5 Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜的發(fā)光光譜，分別由(a) 980 nm 激光和 (b) 254 nm 氙燈激發(fā)；(c) 12 V (a) 980 nm 激光激發(fā)時(shí)；(b) 254 nm 氙燈激發(fā)時(shí)；(c) 12.5 V 電壓下的電致發(fā)光光譜；(d) 基于 Ga₂O₃:Er 和 Ga₂O₃:(Er, F) 薄膜器件的~1550 nm 輸出功率密度與輸入功率曲線。

DOI：

doi.org/10.1007/s00339-026-09341-4

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)