本文由浙江大学材料科学与工程学院硅材料国家重点实验室的刘浩、徐辰晓、潘新华（通讯作者）和叶志镇合作完成，发表在Journal of Electronic Materials 2020年8月的第49卷第8期上，属于”第19届II-VI化合物国际会议”专题文集的一部分。
宽禁带半导体材料（Wide-band-gap semiconductor materials）如氧化镓（Ga2O3）因其4.9 eV的大带隙、优异的热稳定性和化学稳定性，在光电子器件、日盲紫外探测器和光波导等领域具有重要应用价值。然而，β-Ga2O3薄膜中存在的氧空位（Vo）、镓空位（Vga）等缺陷会显著影响其光学性能。虽然已有研究报道了β-Ga2O3的三个特征发光带（紫外3.4 eV、蓝光2.95 eV和绿光2.48 eV），但对于这些发光带的微观起源仍存在争议。
本研究旨在通过调控脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）过程中的氧气压力（Po2），系统研究不同缺陷状态对β-Ga2O3薄膜光致发光（Photoluminescence，PL）特性的影响，明确各发光带的物理起源，为后续发光增强研究提供理论指导。
研究团队采用脉冲激光沉积法制备了系列β-Ga2O3薄膜样品： 1. 在700℃下使用纯度为99.99%的Ga2O3陶瓷靶材 2. KrF准分子激光器（248 nm）以5 J/cm²能量密度和3 Hz频率工作 3. 控制三种不同氧气压力条件：0.01 Pa、0.1 Pa和1 Pa 4. 沉积时间固定为60分钟，所得薄膜厚度分别为164 nm、214 nm和312 nm
利用多种表征技术对样品进行系统分析： - 原子力显微镜（AFM）分析表面形貌和粗糙度 - X射线衍射（XRD）的θ-2θ扫描检测晶体结构 - X射线光电子能谱（XPS）分析缺陷类型和浓度 - 光致发光光谱（PL）和光致发光激发光谱（PLE）测量光学性能
研究团队特别建立了一个理论模型解释薄膜生长过程，将沉积过程分为三个子过程：沉积（a）、逃逸（e）和扩散（t），通过分析这三个过程在不同氧气压力下的变化规律，解释了薄膜质量随氧气压力变化的机制。
结构特性分析： XRD结果表明，氧气压力≤0.1 Pa时可在c面蓝宝石衬底上获得高度(-201)取向的β-Ga2O3薄膜。当氧气压力升至1 Pa时，衍射峰强度显著降低，并有新峰(-601)出现，显示薄膜结晶质量明显下降。AFM分析显示，0.1 Pa条件下制备的薄膜具有最小的表面粗糙度（RMS=0.73 nm）。
缺陷状态分析： XPS分析发现O 1s峰可以分解为530.76 eV（晶格氧O1）和532.08 eV（氧空位O2）两个组分；Ga 3d峰可分解为18.77 eV（Ga+）、20.23 eV（Ga3+）和23.11 eV（O 2s）三个组分。定量分析表明：
研究发现PL强度随氧气压力增加而明显降低，显示出氧气压力对PL强度的淬灭效应（quenching effect）。PLE测量（监测410 nm发射）显示3.02 eV发光峰有两个激发带（4.34 eV和3.33 eV），分别对应于带间跃迁和导带电子与自陷空穴的复合。
通过综合XPS与PL分析，研究团队明确了各发光带的微观起源： 1. 紫外带（3.34 eV）：源自两个OII位点之间的自陷空穴（STH）复合 2. 蓝光带1（3.03 eV）：源于(Vga + Vo)1-复合体 3. 蓝光带2（2.74 eV）：来自四面体位点的镓空位Vga2-
作者建议未来可以通过改变沉积气氛（如氮气）或采用同质外延衬底等方法进一步提高薄膜结晶质量。这项研究不仅为理解β-Ga2O3的发光机制提供了直接证据，也为开发基于这一材料的新型光电器件提供了重要参考。