让电子在半导体中移动

下一代节能电力电子，高频通信系统和固态照明依赖于称为宽带隙半导体的材料。基于这些材料的电路可以以比硅基电路更高的功率密度和更低的功率损耗运行。这些材料推动了LED照明的革命，从而获得了2014年诺贝尔物理学奖。

在AIP出版社应用物理快报中报道的新实验中，研究人员已经证明，一种称为氧化镓(Ga 2 O 3)的宽带隙半导体可以被设计成纳米级结构，使电子在晶体结构内移动得更快。由于电子可以轻松移动，Ga 2 O 3可以成为高频通信系统和节能电力电子等应用的理想材料。

“氧化镓有可能使晶体管超越现有技术，”俄亥俄州立大学的Siddharth Rajan说。

由于Ga 2 O 3具有宽带隙材料中最大的带隙之一(激发电子所需的能量以使其导电)作为硅的替代品而开发，因此它对高功率和高频器件特别有用。它在宽带隙半导体中也是独一无二的，因为它可以直接从熔融形式生产，从而可以大规模生产高质量的晶体。

对于在电子器件中使用，材料中的电子必须能够在电场下容易地移动，该电场称为高电子迁移率。“这是任何设备的关键参数，”Rajan说。通常，为了用电子填充半导体，该材料掺杂有其他元素。然而，问题是掺杂剂也散射电子，限制了材料的电子迁移率。

为了解决这个问题，研究人员使用了一种称为调制兴奋剂的技术。该方法最初由Takashi Mimura于1979年开发，用于制造砷化镓高电子迁移率晶体管，该晶体管于2017年获得京都奖。虽然它现在是实现高迁移率的常用技术，但其在Ga 2 O 3中的应用是新鲜玩意。

在他们的工作中，研究人员创造了一种所谓的半导体异质结构，在Ga 2 O 3及其合金与铝，氧化铝镓之间形成了原子级完美的界面- 两种半导体具有相同的晶体结构但能隙不同。嵌入铝氧化镓内部的几纳米远的界面是一片只有几个原子厚的供电子杂质。捐赠的电子转移到Ga 2 O 3中，形成2-D电子气。但是因为电子现在也与氧化铝镓中的掺杂剂(因此称为调制掺杂)分开了几纳米，所以它们分散得更少并且保持高度移动性。

使用这种技术，研究人员达到了记录的能力。研究人员还能够观察到Shubnikov-de Haas振荡，这是一种量子现象，其中增加外部磁场的强度会导致材料的电阻振荡。这些振荡确认了高迁移率2-D电子气的形成，并允许研究人员测量关键材料特性。

Rajan解释说，这种调制掺杂结构可能会导致一类新的量子结构和电子元件利用Ga 2 O 3的潜力。