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导读

近日，在《应用物理快报》杂志上发表的论文中，新实验展示了一种宽禁带半导体材料氧化镓（Ga₂O₃）被设计到一种纳米结构中，从而使得电子在晶体结构中移动得更快，因此Ga₂O₃有望成为一种用于高频通信系统和节能电力电子器件的理想材料。

背景

宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV）被称为第三代半导体材料，主要包括金刚石、SiC、GaN等。与代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点。

新一代的节能电力电子器件、高频通信系统、固态照明系统都依赖于宽禁带半导体材料。基于这些材料的电路比传统的硅基电路，具有更高的功率密度、更低的功耗。举个典型的例子，这些材料带来了LED照明系统的革命，因此在2014年赢得了诺贝尔物理奖。

创新

在美国物理联合会出版的《应用物理快报（Applied Physics Letters）》杂志上发表的论文中，新实验展示了一种宽禁带半导体材料氧化镓（Ga₂O₃）被设计到一种纳米结构中，从而使得电子在晶体结构中移动得更快。因为电子如此容易地流动，所以Ga₂O₃有望成为一种用于高频通信系统和节能电力电子器件的理想材料。

（图片来源：Choong Hee Lee 和Yuewei Zhang）

研究的领dao者、美国俄亥俄州立大学的Siddharth Rajan 表示：“氧化镓带来的晶体管将超越现有技术。”

技术

因为Ga₂O₃是带隙（电子由价带被激发到导带上所需要的能量）大的宽禁带半导体材料之一，而这些宽禁带半导体材料的开发是为了取代硅，特别是用于高功率设备和高频率设备。Ga₂O₃在众多的宽禁带半导体器件中也显得很*，它可以直接通过熔融形式来制造，从而可以用于大规模制造高质量的晶体。

为了在电子器件中应用，材料中的电子必须能够在电场中轻易地移动，这种特性称为“高电子迁移率”。Rajan 表示：“这是任何器件的关键参数。”一般来说，为了让半导体中的电子更加容易地移动，材料必须掺杂其他成分。然而，问题是掺杂物也会散射电子，从而限制了材料中电子的移动能力。

为了解决这一问题，研究人员采用了一种名为“调制掺杂”（modulation doping）的技术。1979年，Takashi Mimura 在设计砷化镓高电子迁移率晶体管时开发出这项技术，他也因此在2017年赢得的京都奖。虽然现在这已经是一种用于实现高电子迁移率的普遍技术，但是在Ga₂O₃上的应用仍然是新的。

在研究中，研究人员创造出一种半导体异质结构，在Ga₂O₃ 以其铝合金物铝镓氧化物之间，创造出原子级的界面。Ga₂O₃与铝镓氧化物具有相同的晶体结构，但是却具有不同的带隙。在离界面几纳米的位置，一片仅有几个原子厚度的电子掺杂物被嵌入在铝镓氧化物中。掺杂的电子转移到Ga₂O₃中，形成了二维电子气体。但是，由于现在电子也与铝镓氧化物中的掺杂物分离达几纳米（因为调制掺杂这个词），所以它们更少地发生散射并保持高的迁移率。

研究人员采用这项技术，实现了电子迁移率记录。同时，他们也能观察到一种量子现象，即“Shubnikov-de Haas oscillation”。在这种现象中，增加外部磁场的强度，会引起材料的电阻发生振荡。这些振荡巩固了高迁移率二维电子气体的形成，并使得研究人员可测量关键的材料特性。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

Rajan 解释道，这种调制掺杂的结构将带来新型量子结构以及充分利用Ga₂O₃潜力的电子器件。