β-Ga2O3的光物理學(xué)：聲子偏振子、激子偏振子、自由載流子吸收和帶邊緣吸收

發(fā)布時間：2023-05-05

近日，由中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在《應(yīng)用物理學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇名為《Photophysics of β-Ga₂O₃ : Phonon polaritons, exciton polaritons, free-carrier absorption, and band-edge absorption》的論文。以下為該文章的簡要內(nèi)容。

摘要

單晶氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其寬帶隙、大擊穿場強(qiáng)的特性，以及大尺寸單晶低成本生長的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，引起了光電和電子器件領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在此，我們詳細(xì)研究了不同載流子濃度的不同摻雜β-Ga₂O₃的基本光物理特性，包括吸收（自由載流子吸收和帶邊吸收）和反射（聲子偏振子和激子偏振子）?；诜菢O化反射模型，不同摻雜的β-Ga₂O₃晶體的非極化反射光譜被很好地擬合。此外，根據(jù)分析，β-Ga₂O₃直接激子的縱橫向分裂能估計高達(dá)100meV，反映了光和激子之間的強(qiáng)相互作用。希望這項(xiàng)工作能夠?yàn)槿媪私猞?Ga₂O₃的光譜物理特性提供有益的參考，從而加深和擴(kuò)大對該材料在光物理特性方面的基本認(rèn)識。

簡介

憑借寬禁帶隙（4.5-4.9 eV）、高擊穿場強(qiáng)（～8 × 105 V/m）和大尺寸單晶生長所需的低成本制備工藝等特點(diǎn)，單晶氧化鎵（β-Ga₂O₃）在紫外光譜區(qū)的透明導(dǎo)電窗、日盲紫外區(qū)（240-280 nm）的光電探測器和高功率電子器件方面顯示了巨大的工作潛力。這種巨大的潛力已逐漸被許多研究所認(rèn)識和分析，其主要重點(diǎn)是基于β-Ga2O3的光電和電子器件的應(yīng)用。

盡管大尺寸單晶生長和器件應(yīng)用的研究促進(jìn)了對β- Ga₂O₃的理解，但在基本物理特性方面，特別是光物理特性方面，仍需要對這種材料進(jìn)行進(jìn)一步的工作和深入的分析，其背后有許多復(fù)雜的關(guān)系和機(jī)制等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。一般來說，例如原生的β-Ga₂O₃單晶會呈現(xiàn)n型導(dǎo)電性，這可以通過在晶體中摻入Si、Sn、Ge和Nb等元素來控制。這些外來供體雜質(zhì)的引入不僅會改變晶體在紅外光譜區(qū)域的自由載流子吸收特性，而且還會導(dǎo)致在紫外區(qū)域的基本吸收邊緣的轉(zhuǎn)移（Burstein-Moss漂移）。由于β-Ga₂O₃是一個單斜雙軸晶體（屬于C2/m空間群），各向異性的特性將導(dǎo)致光學(xué)特性的偏振依賴性。此外，復(fù)雜的聲子模式將導(dǎo)致紅外區(qū)域復(fù)雜的聲子光譜特性。為了處理這里提到的β-Ga₂O₃的光物理特性，需要進(jìn)一步進(jìn)行更詳細(xì)和系統(tǒng)的研究，以加深目前對其基本物理特性的理解。