南京邮电大学唐为华教授团队：共掺杂通过多重杂质能级改善InSn-Ga₂O₃探测 ...

由南京邮电大学唐为华教授研究团队在学术期刊Science China Technological Sciences发布了一篇名为 Co-doping improves memory characteristics in InSn-Ga2O3 detector via multiple impurity energy levels（共掺杂通过多重杂质能级改善 InSn-Ga2O3 探测器的记忆特性）的文章。

期刊介绍

《Science China Technological Sciences》（SCTS）是中国科技界的顶尖期刊，由中国科学院与国家自然科学基金委员会联合主办，代表着中国工程与材料科学研究的最高水平。它刊登的论文涵盖纳米材料、光电子、智能制造等前沿科技领域。 SCTS不仅在国内学术界广受认可，也在国际上产生重要影响，是科研人员了解科技前沿、展示创新成果的重要平台。

项目支持

本工作得到以下项目资助：国家自然科学基金联合基金（项目编号：U23A20349）、国家自然科学基金青年科学基金（项目编号：62204126、62305171、12104128、52402147）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20230361、BK20241464）、江苏省高校自然科学基金（项目编号：23KJB510017）、江苏省创新创业团队资助（项目编号：JSSCTD202351）以及中国博士后科学基金资助项目（项目编号：GZC20233500）。

背景

β-Ga2O3 因其宽禁带、优异光电性能及化学稳定性，在高功率电子器件和光电器件中备受关注，但其低载流子浓度和高绝缘性限制了器件性能。单元素掺杂可提升载流子浓度、调节光电性能，而共掺杂策略进一步突破溶解度限制、降低缺陷能级、增强电导率与光响应，并赋予一定记忆特性。本研究通过 PECVD 在 c 面蓝宝石衬底上生长 InSn 共掺杂 Ga2O3 薄膜，实现带隙调控、载流子浓度提升及光电性能增强，并利用缺陷与表面俘获效应延长载流子寿命，为光电突触器件和图像存储等应用提供新可能。

主要内容

近年来，共掺杂因其提高溶解度、增加载流子浓度等优势而受到广泛关注。尽管共掺杂会引入更多杂质能级，但这反而有利于在记忆效应器件中的合理应用。本工作成功在蓝宝石衬底上采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术生长了铟锡共掺杂氧化镓（InSn-Ga2O3）薄膜。与纯 Ga2O3 相比，InSn-Ga2O3 表现出显著增加的载流子浓度以及大量缺陷，从而导致载流子复合过程缓慢、光照后恢复时间延长，使 InSn-Ga2O3 具有一定的记忆功能。此外，通过第一性原理计算分析了 In 和 Sn 共掺杂后能带结构的演化，结果表明多个浅杂质能级对改善 InSn-Ga2O3 器件的导电性及延长光生载流子复合时间具有积极作用。综上，本工作展示了 Ga2O3 在共掺杂操作下的优异记忆特性，并拓展了 Ga2O3 在光电子突触与图像存储器件中的潜在应用。

结论

本研究提出了一种此前未报道的共掺杂 Ga2O3。采用 PECVD 技术制备的 InSn-Ga2O3 薄膜表现出显著的性能提升。与未掺杂 Ga2O3 相比，其光学带隙从 4.91 eV 降至 4.78 eV，同时光电流和暗电流均有所增加，其中暗电流显著增加约五个数量级，载流子浓度也明显提升。通过第一性原理计算分析了纯 Ga2O3 与 InSn-Ga2O3 之间能带和载流子浓度的变化，解释了它们在 254 nm 紫外光照射下的光响应特性。此外，InSn-Ga2O3 中引入的大量缺陷/表面态减缓了载流子复合过程，导致照射后恢复时间延长，使材料具有一定的记忆功能。本研究不仅拓展了 Ga2O3 材料在光电子器件中的应用潜力，也为未来材料的设计与优化提供了理论依据。后续研究可探索不同掺杂组合的效果，以实现更高效的光电探测性能。

图 1 (a) PECVD 系统及 InSn-Ga2O3 薄膜沉积工艺；(b) InSn-Ga2O3 薄膜示意图。

图 2 (a) Ga2O3 表面 SEM 图像；(b) InSn-Ga2O3 表面 SEM 图像；(c) Ga2O3 横截面 SEM 图像；(d) InSn-Ga2O3 横截面 SEM 图像。

图 3 (a) Ga2O3 与 InSn-Ga2O3 的 XRD 光谱；(b) UV-Vis 吸收光谱（插图：带隙 Eg 计算）；(c) InSn-Ga2O3 UPS 光谱；(d) InSn-Ga2O3 能带示意图。

图 4 (a) InSn-Ga2O3 XPS 光谱；(b) O 1s 光谱；(c) In 3d 光谱；(d) Sn 3d 光谱；(e) Ga 2p 光谱；(f) Ga2O3 与 InSn-Ga2O3 在 254 nm 光照下的 PL 发射光谱。

图 5 (a) Ga2O3 与 InSn-Ga2O3 的对数坐标 I-V 特性；(b) 不同入射光强下 InSn-Ga2O3 对数坐标 I-V 曲线；(c) 在 278 μW/cm2 光照强度下不同偏压下的开/关光 I-t 曲线；(d) 1 V 偏压下不同光脉冲强度的 I-t 特性；(e) 1 V 偏压下不同光照持续时间的 I-t 特性；(f) 测得的学习行为，显示少量脉冲刺激即可在遗忘后恢复记忆电流。