導讀

近日，在《應(yīng)用物理快報》雜志上發(fā)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(shè)計到一種納米結(jié)構(gòu)中，從而使得電子在晶體結(jié)構(gòu)中移動得更快，因此Ga₂O₃有望成為一種用于高頻通信系統(tǒng)和節(jié)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(shù)小、導電性能好的特點。

新一代的節(jié)能電力電子器件、高頻通信系統(tǒng)、固態(tài)照明系統(tǒng)都依賴于寬禁帶半導體材料。基于這些材料的電路比傳統(tǒng)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(tǒng)的革命，因此在2014年贏得了諾貝爾物理獎。

創(chuàng)新

在美國物理聯(lián)合會出版的《應(yīng)用物理快報（Applied Physics Letters）》雜志上發(fā)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(shè)計到一種納米結(jié)構(gòu)中，從而使得電子在晶體結(jié)構(gòu)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(tǒng)和節(jié)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(lǐng)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(xiàn)有技術(shù)。”

技術(shù)

因為Ga₂O₃是帶隙（電子由價帶被激發(fā)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(fā)是為了取代硅，特別是用于高功率設(shè)備和高頻率設(shè)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(guī)模制造高質(zhì)量的晶體。

為了在電子器件中應(yīng)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(guān)鍵參數(shù)。”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(diào)制摻雜”（modulation doping）的技術(shù)。1979年，Takashi Mimura 在設(shè)計砷化鎵高電子遷移率晶體管時開發(fā)出這項技術(shù)，他也因此在2017年贏得的京都獎。雖然現(xiàn)在這已經(jīng)是一種用于實現(xiàn)高電子遷移率的普遍技術(shù)，但是在Ga₂O₃上的應(yīng)用仍然是新的。

在研究中，研究人員創(chuàng)造出一種半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在Ga₂O₃ 以其鋁合金物鋁鎵氧化物之間，創(chuàng)造出原子級的界面。Ga₂O₃與鋁鎵氧化物具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)移到Ga₂O₃中，形成了二維電子氣體。但是，由于現(xiàn)在電子也與鋁鎵氧化物中的摻雜物分離達幾納米（因為調(diào)制摻雜這個詞），所以它們更少地發(fā)生散射并保持高的遷移率。

研究人員采用這項技術(shù)，實現(xiàn)了電子遷移率記錄。同時，他們也能觀察到一種量子現(xiàn)象，即“Shubnikov-de Haas oscillation”。在這種現(xiàn)象中，增加外部磁場的強度，會引起材料的電阻發(fā)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(guān)鍵的材料特性。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Rajan 解釋道，這種調(diào)制摻雜的結(jié)構(gòu)將帶來新型量子結(jié)構(gòu)以及充分利用Ga₂O₃潛力的電子器件。