5月，《Journal of Materials Chemistry C》期刊发表了来自山东大学新一代半导体材料集成攻关大平台贾志泰教授团队的论文“Wide-temperature-resistantsemi-insulatingCo:β-Ga2O3single crystal basedhigh-temperature-stablesolar-blindphotodetectors,J.Mater. Chem.C,2023, DOI: 10.1039/D3TC00906H.”（第一作者董旭阳，通信作者贾志泰、穆文祥），该论文开发生长了一种新型的具备宽温域高阻特性的Co掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶，并进一步制备了MSM型深紫外日盲光电探测器，成功验证了Co掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶衬底的高温工作稳定性。
研究发现，传统的半绝缘β-Ga2O3单晶衬底(Fe，Mg作为深能级受主掺杂离子)在相关器件的高温应用条件下，极易出现半绝缘效应失效现象，其原因在于Fe，Mg受主能级在β-Ga2O3能带结构中与导带底部或价带顶部的距离较近，受主能级较浅，于高温工作条件下稳定性下降，从而导致半绝缘效应减弱甚至失效。理论结果表明，与Fe，Mg相比，Co离子受主能级更接近β-Ga2O3带隙中间位置，理论上具备更高的热稳定性。因此，该论文以开发新型Co掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶、解决半绝缘衬底高温应用瓶颈为核心，系统开展了关于Co掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶的一系列研究。
论文中以非故意掺杂β-Ga2O3及Fe掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶为参照样，系统表征了Co掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶的结晶质量、光学性能、电学性能及光响应性能。
如图1所示，该团队所生长的Co掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶衬底摇摆曲线半峰宽为86 arcsec，低于Fe掺杂衬底样品的86 arcsec，且Co掺杂衬底样品的高分辨透射电子显微镜横截面图像(图1c)进一步显示出有序的晶格排列，其劳厄衍射斑点(图1d)清晰对称，表明Co掺杂半绝缘β-Ga2O3单晶拥有良好结晶质量。
图1：Co掺杂β-Ga2O3及参照样衬底样品的结构质量表征
如图2所示，Co掺杂衬底样品在紫外-可见光-近红外波段可保持83%的高透过率，高于非故意掺杂及Fe掺杂衬底样品，Co掺杂衬底样品和Fe掺杂衬底样品对应的光学带隙宽度为4.67 eV和4.68 eV，略低于非故意掺杂衬底样品的4.71 eV,通过XPS价带能计算得到不同衬底样品的表面势垒基本一致，表明受主掺杂未对β-Ga2O3单晶衬底的光学性能产生不良影响，通过XPS结果分别拟合Ga 3d和O1s能级，并计算OII/(OI+ OII)获得了不同衬底样品的氧空位缺陷浓度，其中非故意掺杂衬底样品缺陷浓度最低，为27.2%，Co掺杂衬底样品为34.1%，低于Fe掺杂衬底样品的38.5%，结果表明，与Fe相比，在Co受主掺杂离子与Ga位的替换过程中出现的晶格畸变更小，Co掺杂衬底样品结晶质量更高。
图2：Co掺杂β-Ga2O3及参照样衬底样品的光学性能表征
如图3所示，与Fe掺杂衬底样品不同，Co掺杂衬底样品在室温到300℃的温度区间内出现了一个高电阻率(~1012Ω·cm)平台(图3a)，图3b通过进一步拟合电阻率数据结果分别得到Co和Fe的受主能级分别为2.1 eV，0.84 eV，结果证明深能级受主Co更接近带隙中间位置。图3c通过计算获得了两种半绝缘衬底样品室温到300℃的电阻率牺牲率和波动系数(Cv),更直观的表达了Co掺杂衬底样品高阻稳定性，同时，图3d展现了不同能级深度的受主掺杂离子和部分施主掺杂离子于β-Ga2O3能带结构中的热激发过程。
图3：Co掺杂β-Ga2O3及Fe掺杂β-Ga2O3衬底样品的电学性能表征
如图4所示，该团队制备了基于不同衬底样品的深紫外日盲光电探测器，并进行了一系列变温光响应测试器件性能，用以验证Co掺杂衬底的高温工作稳定性。与基于非故意掺杂及Fe掺杂衬底样品的探测器性能表现不同，基于Co掺杂衬底样品的探测器在整个测试温度区间(室温至260℃)内保持较低水平的暗电流，参照样随温度升高，均表现出较大的暗电流增大，其中基于非故意掺杂衬底样品的探测器于150℃失去探测能力，基于Fe掺杂衬底样品的探测器暗电流控制较差。因此，基于Fe掺杂衬底样品的探测器性能参数(响应度、比探测率)在测试区间呈现提高趋势，而基于Co掺杂衬底样品的探测器性能参数保持稳定，该结果表明Co掺杂衬底样品的半绝缘效应在整个测试温度区间保持良好，间接证明了Co掺杂衬底的高温稳定性。
图4：Co掺杂β-Ga2O3及参照样衬底样品的光响应性能表征
如图5所示，进一步通过多个循环的I-T曲线直观的表示出Co掺杂衬底样品的半绝缘效应稳定性，同时，通过引入不同温度点条件下的多循环误差棒，对比图5e和5f可知，Co掺杂衬底样品的上升下降时间及误差均保持稳定，而Fe掺杂衬底样品于测试温度区间内表现出较大误差，说明了该衬底的半绝缘效应随温度升高出现了恶化现象。综上所述，与传统的Fe掺杂半绝缘β-Ga2O3衬底相比，新型Co掺杂半绝缘β-Ga2O3衬底较好的解决了高温工作条件下半绝缘效应失效问题，该衬底在β-Ga2O3基的深紫外日盲探测器件、功率器件、电力电子器件的高温应用领域具备广阔应用潜力。
图5：Co掺杂β-Ga2O3及参照样衬底样品的I-T曲线、变温上升下降时间表征
