導讀

近日，在《應用物理快報》雜志上發表的論文中，新實驗展示了一種寬禁帶半導體材料氧化鎵（Ga₂O₃）被設計到一種納米結構中，從而使得電子在晶體結構中移動得更快，因此Ga₂O₃有望成為一種用于高頻通信系統和節能電力電子器件的理想材料。

背景

寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2eV）被稱為第三代半導體材料，主要包括金剛石、SiC、GaN等。與代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高、介電常數小、導電性能好的特點。

新一代的節能電力電子器件、高頻通信系統、固態照明系統都依賴于寬禁帶半導體材料。基于這些材料的電路比傳統的硅基電路，具有更高的功率密度、更低的功耗。舉個典型的例子，這些材料帶來了LED照明系統的革命，因此在2014年贏得了諾貝爾物理獎。

創新

在美國物理聯合會出版的《應用物理快報（Applied Physics Letters）》雜志上發表的論文中，新實驗展示了一種寬禁帶半導體材料氧化鎵（Ga₂O₃）被設計到一種納米結構中，從而使得電子在晶體結構中移動得更快。因為電子如此容易地流動，所以Ga₂O₃有望成為一種用于高頻通信系統和節能電力電子器件的理想材料。

（圖片來源：Choong Hee Lee 和Yuewei Zhang）

研究的領dao者、美國俄亥俄州立大學的Siddharth Rajan 表示：“氧化鎵帶來的晶體管將超越現有技術。”

技術

因為Ga₂O₃是帶隙（電子由價帶被激發到導帶上所需要的能量）大的寬禁帶半導體材料之一，而這些寬禁帶半導體材料的開發是為了取代硅，特別是用于高功率設備和高頻率設備。Ga₂O₃在眾多的寬禁帶半導體器件中也顯得很*，它可以直接通過熔融形式來制造，從而可以用于大規模制造高質量的晶體。

為了在電子器件中應用，材料中的電子必須能夠在電場中輕易地移動，這種特性稱為“高電子遷移率”。Rajan 表示：“這是任何器件的關鍵參數。”一般來說，為了讓半導體中的電子更加容易地移動，材料必須摻雜其他成分。然而，問題是摻雜物也會散射電子，從而限制了材料中電子的移動能力。

為了解決這一問題，研究人員采用了一種名為“調制摻雜”（modulation doping）的技術。1979年，Takashi Mimura 在設計砷化鎵高電子遷移率晶體管時開發出這項技術，他也因此在2017年贏得的京都獎。雖然現在這已經是一種用于實現高電子遷移率的普遍技術，但是在Ga₂O₃上的應用仍然是新的。

在研究中，研究人員創造出一種半導體異質結構，在Ga₂O₃ 以其鋁合金物鋁鎵氧化物之間，創造出原子級的界面。Ga₂O₃與鋁鎵氧化物具有相同的晶體結構，但是卻具有不同的帶隙。在離界面幾納米的位置，一片僅有幾個原子厚度的電子摻雜物被嵌入在鋁鎵氧化物中。摻雜的電子轉移到Ga₂O₃中，形成了二維電子氣體。但是，由于現在電子也與鋁鎵氧化物中的摻雜物分離達幾納米（因為調制摻雜這個詞），所以它們更少地發生散射并保持高的遷移率。

研究人員采用這項技術，實現了電子遷移率記錄。同時，他們也能觀察到一種量子現象，即“Shubnikov-de Haas oscillation”。在這種現象中，增加外部磁場的強度，會引起材料的電阻發生振蕩。這些振蕩鞏固了高遷移率二維電子氣體的形成，并使得研究人員可測量關鍵的材料特性。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Rajan 解釋道，這種調制摻雜的結構將帶來新型量子結構以及充分利用Ga₂O₃潛力的電子器件。