近日，由中山大学光电材料与技术国家重点实验室和中国科学院上海光学精密机械研究所在《应用物理学》杂志上发表了一篇名为《Photophysics of β-Ga2O3 : Phonon polaritons, exciton polaritons, free-carrier absorption, and band-edge absorption》的论文。以下为该文章的简要内容。
摘要
单晶氧化镓（β-Ga2O3）因其宽带隙、大击穿场强的特性，以及大尺寸单晶低成本生长的经济优势，引起了光电和电子器件领域的广泛关注。在此，我们详细研究了不同载流子浓度的不同掺杂β-Ga2O3的基本光物理特性，包括吸收（自由载流子吸收和带边吸收）和反射（声子偏振子和激子偏振子）。基于非极化反射模型，不同掺杂的β-Ga2O3晶体的非极化反射光谱被很好地拟合。此外，根据分析，β-Ga2O3直接激子的纵横向分裂能估计高达100meV，反映了光和激子之间的强相互作用。希望这项工作能够为全面了解β-Ga2O3的光谱物理特性提供有益的参考，从而加深和扩大对该材料在光物理特性方面的基本认识。
简介
凭借宽禁带隙（4.5-4.9 eV）、高击穿场强（∼8 × 105 V/m）和大尺寸单晶生长所需的低成本制备工艺等特点，单晶氧化镓（β-Ga2O3）在紫外光谱区的透明导电窗、日盲紫外区（240-280 nm）的光电探测器和高功率电子器件方面显示了巨大的工作潜力。这种巨大的潜力已逐渐被许多研究所认识和分析，其主要重点是基于β-Ga2O3的光电和电子器件的应用。
尽管大尺寸单晶生长和器件应用的研究促进了对β- Ga2O3的理解，但在基本物理特性方面，特别是光物理特性方面，仍需要对这种材料进行进一步的工作和深入的分析，其背后有许多复杂的关系和机制等待我们去发现。一般来说，例如原生的β-Ga2O3单晶会呈现n型导电性，这可以通过在晶体中掺入Si、Sn、Ge和Nb等元素来控制。这些外来供体杂质的引入不仅会改变晶体在红外光谱区域的自由载流子吸收特性，而且还会导致在紫外区域的基本吸收边缘的转移（Burstein-Moss漂移）。由于β-Ga2O3是一个单斜双轴晶体（属于C2/m空间群），各向异性的特性将导致光学特性的偏振依赖性。此外，复杂的声子模式将导致红外区域复杂的声子光谱特性。为了处理这里提到的β-Ga2O3的光物理特性，需要进一步进行更详细和系统的研究，以加深目前对其基本物理特性的理解。
在此，我们仔细研究了不同载流子浓度的β-Ga2O3块状单晶的光谱物理特性，包括自由载流子吸收、带边吸收，以及反射光谱中含有声子偏振子和激子偏振子的反射特性。这项工作有望成为全面了解β-Ga2O3的吸收和反射特性的有益参考。
以下图文信息均整合自论文内容
图1. (a) 不同掺杂的β-Ga2O3的X射线衍射（XRD）图案和(b) 拉曼光谱。
图中显示了样品的（400）-30.083°，（600）-45.800°和（800）-62.518°等衍射峰，并使用卡片（JCPDS，PDF编号：00-43043-1012，01-074-1776，00-041-1103，00-011-0370）进行比较。
表1. β-Ga2O3的基本电子参数
为了研究不同载流子浓度的β-Ga2O3单晶的红外吸收，需要提取相应的光学吸收系数。透光率、反射率和吸收系数之间的关系 (αλ)的关系可以描述如下
图2. 不同掺杂的β-Ga2O3单晶的（400）平面的非偏振透射和反射光谱。
(a) 三个β- Ga2O3单晶的全范围透射光谱。
(b) 三个β-Ga2O3单晶的全范围反射光谱。
紫外线-可见光区域的曲线所显示的轻微台阶是由不同光谱区域的不同检测器之间的转换所引起的。
(c) 通过公式（1）计算的三个β-Ga2O3单晶的吸收系数。
图3. 不同载流子浓度的β-Ga2O3单晶的吸收系数。
黑色实线是用最小平方法实现的拟合结果。
图4. β-Ga2O3的偏振带边吸收和带隙的温度依赖。
(a)-(c)在300和620K时，掺锡、原生和掺铁的β-Ga2O3单晶的E//b轴和E//c轴的偏振透射光谱。
(d)-(f)掺锡、原生和掺铁的β-Ga2O3单晶的E//b轴和E//c轴的带隙随温度变化的情况。
图5. (a)-(c) 拟合(400)面原生、Fe-掺杂和Sn-掺杂β-Ga2O3单晶的非极化反射光谱。图中标出了参与的声子模式。
图6. β-Ga2O3的反射光谱中激子极化的特征。
(a) β-Ga2O3的反射光谱。(b) 三个β-Ga2O3样品在飞秒激光激发下的发光。
图7. 掺铁的β-Ga2O3的反射光谱中激子极化特征的拟合。
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0118843
论文源自AIP Publishing，联盟编译整理