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半导体十大研究进展候选推荐（2025-038）——氧化镓室温单光子发射

已有 161 次阅读 2026-1-7 09:03 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——氧化镓室温单光子发射

单光子源是量子通信、量子计算、量子传感等可扩展量子信息技术的核心元件。在众多固态单光子发射体系中，宽禁带半导体中的点缺陷发射器因具备室温稳定性、宽波长调谐范围以及与成熟半导体工艺兼容等优势而备受关注。近年来，研究人员已在金刚石、碳化硅、氮化硼、氮化镓、氧化锌、氮化铝等多种宽禁带材料中发现了基于缺陷的单光子发射器。β相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为一种新兴的超宽禁带半导体，禁带宽度约4.9 eV，击穿电场高达8 MV/cm，且具有优异的热稳定性和化学稳定性，商业晶圆尺寸已达8英寸。更重要的是，β-Ga₂O₃具有低对称性的单斜晶格结构（C2/m空间群），包含两种不等价的镓位点和三种不等价的氧位点，丰富的本征缺陷使其成为缺陷基单光子发射器的理想材料平台。然而，迄今为止尚未有关于β-Ga₂O₃单光子发射的报道。

基于此，北京工业大学孟军华和中国科学院半导体研究所张兴旺研究团队利用等离子体处理结合高温退火工艺激活缺陷，首次在β-Ga₂O₃中实现了室温下稳定、明亮的单光子发射，证实了β-Ga₂O₃超宽禁带半导体作为量子光源平台的可能性，拓展了该材料在功率器件之外的全新应用领域。单光子发射器在同质外延薄膜、异质外延薄膜和商业单晶片等多种β-Ga₂O₃材料中均可产生，表明该方法的普适性与可扩展性。此外，通过第一性原理密度泛函理论计算，阐明了β-Ga₂O₃基单光子发射器来源于中性V_GaI-V_OIII双空位缺陷，为后续可控制备提供了理论指导。β-Ga₂O₃作为技术成熟度高的半导体材料，其室温单光子发射体的实现为集成量子光子器件的研发开辟了新的路径，有望推动基于该材料的片上可扩展量子光源和量子网络技术发展。

图1. 氧化镓室温单光子发射性能表征及缺陷来源。

相关研究成果以“Room-temperature single-photon emission from β-Ga₂O₃”为题，发表在Nature Communications上，并被编辑精选为“Editors’Highlights”进行重点展示（https://www.nature.com/ncomms/editorshighlights）。论文的第一作者为北京工业大学博士生石义鸣和中国科学院半导体研究所博士生夏政昌，通讯作者为北京工业大学孟军华副教授和中国科学院半导体研究所张兴旺研究员。

2 主要作者简介

共同第一作者

石义鸣，北京工业大学博士生。

主要从事氧化镓薄膜的外延生长及光电性质研究。以第一作者在Nature Commun.，Nano Research等期刊发表文章4篇，申请发明专利1项。

共同第一作者

夏政昌，中国科学院半导体研究所博士生。

主要从事半导体材料计算、钙钛矿半导体材料与器件方面的研究。以第一/共一作者在Nature Commun.，Adv. Mater.等期刊发表论文3篇，入选中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划。

通讯作者

孟军华，北京工业大学物理与光电工程学院副教授/校聘教授。

从事半导体光电材料与器件的制备与性质研究，在Nature Commun., Adv. Mater., Nano Energy, Small, Nano Research等期刊发表SCI论文60篇，论文他引5500余次，获授权发明专利4件。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、北京市自然科学金等科研项目10余项。