空气退火对Bi掺杂β-Ga2 O3 单晶光学与发光特性的调控机制及缺陷工程研究

本研究针对Bi掺杂β-Ga2 O3 单晶的缺陷调控难题，通过1000°C空气退火处理，揭示了环境氧补偿降低VO 浓度、增强VGa 相关GL发光的机制。结果表明退火有效抑制载流子浓度与俄歇复合，显著提升辐射复合主导的发光效率，为第四代超宽禁带半导体材料的性能优化提供新策略。

　　

随着第四代超宽禁带半导体材料的崛起，β相氧化镓（β-Ga₂
O₃
）因其4.9 eV的禁带宽度和优异的耐高压特性，在深紫外探测与功率器件领域展现出巨大潜力。然而，该材料的本征缺陷——氧空位(V_O
)和镓空位(V_Ga
)的复杂相互作用，严重制约其发光效率的调控。尤其当引入铋(Bi)这类挥发性掺杂元素时，缺陷行为的解析更显扑朔迷离。尽管光学浮区法(OFZ)能制备高质量单晶，但如何通过后处理精准调控缺陷浓度，仍是学术界亟待解决的"黑箱"问题。

上海科学技术大学的研究团队在《Journal of Luminescence》发表的研究中，创新性地采用空气退火技术，首次系统揭示了Bi掺杂β-Ga₂
O₃
单晶中缺陷演变的动态过程。研究发现，1000°C退火处理不仅通过环境氧补偿显著降低V_O
浓度，还意外激活了V_Ga
相关的绿色发光(GL)中心，使材料的光学性能产生"蝶变"。这一发现为理解宽禁带半导体中缺陷-发光关联机制提供了关键实验证据。

研究团队主要采用三项关键技术：光学浮区法生长8 mol.% Bi掺杂单晶、1000°C空气退火处理、以及结合X射线衍射(XRD)摇摆曲线与光致发光(PL)光谱的多模态表征。实验选用<010>晶向的未掺杂晶体作为籽晶，确保晶体质量的可控性。

XRD和Rocking Curve分析
通过对比退火前后(100)晶面的衍射峰，发现退火导致(-202)晶面出现异常峰，表明退火诱发晶体表面重构。摇摆曲线半高宽(FWHM)增大揭示晶格完整性受损，但可见光区透射率却提升15%，这种"矛盾"现象源于V_O
浓度降低对光散射的抑制。

光学性能调控机制
透射光谱显示退火后载流子浓度下降2个数量级，PL强度增强3倍且衰减时间延长。特别值得注意的是，GL/BL强度比从0.8升至2.3，首次证实V_Ga
在Bi掺杂体系中的主导作用。理论计算表明，氧补偿使V_O
形成能提高1.5 eV，而V_Ga
形成能降低0.8 eV，这种"此消彼长"的缺陷竞争关系是性能改善的核心。

结论与展望
该研究突破性地证明空气退火可通过"氧补偿-载流子抑制-俄歇复合减弱"的三级级联效应，将Bi掺杂β-Ga₂
O₃
的发光效率提升至新高度。尤其值得注意的是，V_Ga
/V_O
浓度比的调控策略，为开发p型β-Ga₂
O₃
器件开辟了新途径。未来研究可进一步探索不同退火气氛（如氮氧混合气）对缺陷类型的精准裁剪，推动超宽禁带半导体走向实际应用。