下一代節(jié)能電力電子，高頻通信系統(tǒng)和固態(tài)照明依賴于稱為寬帶隙半導體的材料。基于這些材料的電路可以以比硅基電路更高的功率密度和更低的功率損耗運行。這些材料推動了LED照明的革命，從而獲得了2014年諾貝爾物理學獎。

在AIP出版社應用物理快報中報道的新實驗中，研究人員已經(jīng)證明，一種稱為氧化鎵(Ga 2 O 3)的寬帶隙半導體可以被設計成納米級結(jié)構(gòu)，使電子在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)移動得更快。由于電子可以輕松移動，Ga 2 O 3可以成為高頻通信系統(tǒng)和節(jié)能電力電子等應用的理想材料。

“氧化鎵有可能使晶體管超越現(xiàn)有技術(shù)，”俄亥俄州立大學的Siddharth Rajan說。

由于Ga 2 O 3具有寬帶隙材料中最大的帶隙之一(激發(fā)電子所需的能量以使其導電)作為硅的替代品而開發(fā)，因此它對高功率和高頻器件特別有用。它在寬帶隙半導體中也是獨一無二的，因為它可以直接從熔融形式生產(chǎn)，從而可以大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的晶體。

對于在電子器件中使用，材料中的電子必須能夠在電場下容易地移動，該電場稱為高電子遷移率。“這是任何設備的關(guān)鍵參數(shù)，”Rajan說。通常，為了用電子填充半導體，該材料摻雜有其他元素。然而，問題是摻雜劑也散射電子，限制了材料的電子遷移率。

為了解決這個問題，研究人員使用了一種稱為調(diào)制興奮劑的技術(shù)。該方法最初由Takashi Mimura于1979年開發(fā)，用于制造砷化鎵高電子遷移率晶體管，該晶體管于2017年獲得京都獎。雖然它現(xiàn)在是實現(xiàn)高遷移率的常用技術(shù)，但其在Ga 2 O 3中的應用是新鮮玩意。

在他們的工作中，研究人員創(chuàng)造了一種所謂的半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在Ga 2 O 3及其合金與鋁，氧化鋁鎵之間形成了原子級完美的界面- 兩種半導體具有相同的晶體結(jié)構(gòu)但能隙不同。嵌入鋁氧化鎵內(nèi)部的幾納米遠的界面是一片只有幾個原子厚的供電子雜質(zhì)。捐贈的電子轉(zhuǎn)移到Ga 2 O 3中，形成2-D電子氣。但是因為電子現(xiàn)在也與氧化鋁鎵中的摻雜劑(因此稱為調(diào)制摻雜)分開了幾納米，所以它們分散得更少并且保持高度移動性。

使用這種技術(shù)，研究人員達到了記錄的能力。研究人員還能夠觀察到Shubnikov-de Haas振蕩，這是一種量子現(xiàn)象，其中增加外部磁場的強度會導致材料的電阻振蕩。這些振蕩確認了高遷移率2-D電子氣的形成，并允許研究人員測量關(guān)鍵材料特性。

Rajan解釋說，這種調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)可能會導致一類新的量子結(jié)構(gòu)和電子元件利用Ga 2 O 3的潛力。