近年來，以氮化鎵（SiC）、碳化硅（GaN）等為代表的第三代（寬禁帶）半導體由于其獨特的光電性質(zhì)、高擊穿場強和電子飽和速率等顯著優(yōu)勢，在顯示、5G通訊、新能源汽車、軌道交通等高新產(chǎn)業(yè)領域逐漸獲得重要應用。以寬禁帶半導體為核心的技術和應用已成為全球半導體產(chǎn)業(yè)競爭的新戰(zhàn)略高地。我國在“十四五”規(guī)劃綱要中也提出大力發(fā)展第三代寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)。氧化鎵（Ga2O3）是繼SiC、GaN之后的一種新興的寬禁帶半導體（禁帶寬度為4.9 eV），具有比GaN（3.4 eV）、SiC（3.3 eV）更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場，是新一代功率電子器件、深紫外日盲光電探測器件的優(yōu)選材料（圖1）。氧化鎵材料及器件作為半導體領域一顆冉冉升起的新星，受到了各國學術界和產(chǎn)業(yè)界的強烈關注。

氧化鎵的禁帶寬度可以通過與Al2O3形成(AlxGa1-x)2O3合金半導體進一步調(diào)控。一方面，更大的帶隙可以使功率器件實現(xiàn)更高的擊穿場強；更大的帶隙也使日盲光電探測器件響應更寬的光譜范圍，實現(xiàn)日盲光的全覆蓋探測。另一方面，(AlxGa1-x)2O3合金半導體與Ga2O3形成的異質(zhì)結，可以在界面處形成二維電子氣(two dimensional electron gas, 2DEG)，能夠應用于高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)器件。

圖1. 半導體材料的發(fā)展歷程（左圖）和日盲深紫外光電探測技術（右圖）。

近期，廈門大學張洪良課題組聯(lián)合上海光機所齊紅基、陳端陽團隊，采用(AlxGa1-x)2O3合金化能帶工程，實現(xiàn)了禁帶寬度從4.8 eV到6 eV大范圍調(diào)控，并在此基礎上完成了對日盲紫外區(qū)全波段覆蓋的日盲光電探測器的開發(fā)（圖2）。該系列的日盲紫外探測器檢測截止波長可以從263 nm調(diào)節(jié)到236 nm，響應峰從238 nm調(diào)節(jié)到209 nm，且具有優(yōu)異的比探測率（高達1015 Jones），較大的紫外可見抑制比（≈ 105），以及良好的長時間運行穩(wěn)定性。同時，該團隊開發(fā)了具備數(shù)字接口的日盲紫外探測器測試模塊，實現(xiàn)對人造電弧的實時靈敏監(jiān)測（圖3）。全日盲紫外波段檢測技術能廣泛應用在如天文學、地球氣象學、材料科學、環(huán)境科學等各個領域，通過高精度地繪制日盲光區(qū)的光譜特征，為這些領域的監(jiān)測對象提供了更加全面、精細的物質(zhì)結構和化學組成信息。

圖2. (a-b) (AlxGa1-x)2O3合金薄膜的帶隙演變；(c-d) (AlxGa1-x)2O3合金薄膜光電探測器對日盲波段的有效覆蓋。

圖3. 實現(xiàn)(AlxGa1-x)2O3合金薄膜光電探測器的電路集成，并完成對人造電弧信號的靈敏監(jiān)測。

另一方面，作者也通過高分辨X射線光電子能譜與密度泛函理論（DFT）計算對(AlxGa1-x)2O3的電子結構進行了深入的研究，并從電子結構和能帶的角度分析了光電探測器中器件優(yōu)異性能的來源（圖4）。研究發(fā)現(xiàn)，(AlxGa1-x)2O3合金薄膜帶隙的增大主要是由于在導帶處引入了能量相對較高的Al 3s態(tài)，未占據(jù)Al 3s與Ga 4s雜化導致導帶邊上移。然而，價帶邊變化較小，因為它們主要由占據(jù)的O 2p態(tài)組成，與Ga 3d雜化較少。計算表明導帶依然呈現(xiàn)高色散的狀態(tài)，這意味著電子有效質(zhì)量較低，可以維持(AlxGa1-x)2O3的高電子遷移率。這一特性為實現(xiàn)全日盲波段覆蓋的高性能日盲紫外光電探測應用打下了堅實的理論依據(jù)。

圖4. (AlxGa1-x)2O3合金薄膜的電子結構演變。

本研究工作為開發(fā)高靈敏多光譜的日盲紫外光電探測器，以及(AlxGa1-x)2O3能帶調(diào)控和界面異質(zhì)結二維電子氣提供了重要的研究基礎。相關工作以“Tuning the Bandgaps of (AlxGa1-x)2O3 Alloyed Thin Films for High-Performance Solar-Blind Ultraviolet Fully Covered Photodetectors”為題發(fā)表在國際著名期刊Advanced Optical Materials上，廈門大學博士研究生徐翔宇為論文第一作者。本工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和深圳市基礎研究專項的資助和支持。