導(dǎo)讀

近日，在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上發(fā)表的論文中，新實(shí)驗(yàn)展示了一種寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵（Ga₂O₃）被設(shè)計(jì)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(dòng)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(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV）被稱(chēng)為第三代半導(dǎo)體材料，主要包括金剛石、SiC、GaN等。與代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)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(dǎo)電性能好的特點(diǎn)。

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(lài)于寬禁帶半導(dǎo)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(gè)典型的例子，這些材料帶來(lái)了LED照明系統(tǒng)的革命，因此在2014年贏得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

創(chuàng)新

在美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的《應(yīng)用物理快報(bào)（Applied Physics Letters）》雜志上發(fā)表的論文中，新實(shí)驗(yàn)展示了一種寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵（Ga₂O₃）被設(shè)計(jì)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(dòng)得更快。因?yàn)殡娮尤绱巳菀椎亓鲃?dòng)，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(lái)源：Choong Hee Lee 和Yuewei Zhang）

研究的領(lǐng)dao者、美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的Siddharth Rajan 表示：“氧化鎵帶來(lái)的晶體管將超越現(xiàn)有技術(shù)。”

技術(shù)

因?yàn)镚a₂O₃是帶隙（電子由價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶上所需要的能量）大的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，而這些寬禁帶半導(dǎo)體材料的開(kāi)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(dǎo)體器件中也顯得很*，它可以直接通過(guò)熔融形式來(lái)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(chǎng)中輕易地移動(dòng)，這種特性稱(chēng)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(lái)說(shuō)，為了讓半導(dǎo)體中的電子更加容易地移動(dòng)，材料必須摻雜其他成分。然而，問(wèn)題是摻雜物也會(huì)散射電子，從而限制了材料中電子的移動(dòng)能力。

為了解決這一問(wèn)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(jì)砷化鎵高電子遷移率晶體管時(shí)開(kāi)發(fā)出這項(xiàng)技術(shù)，他也因此在2017年贏得的京都獎(jiǎng)。雖然現(xiàn)在這已經(jīng)是一種用于實(shí)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(dǎo)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(jí)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(gè)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(dá)幾納米（因?yàn)檎{(diào)制摻雜這個(gè)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(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電子遷移率記錄。同時(shí)，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(chǎng)的強(qiáng)度，會(huì)引起材料的電阻發(fā)生振蕩。這些振蕩?kù)柟塘烁哌w移率二維電子氣體的形成，并使得研究人員可測(cè)量關(guān)鍵的材料特性。

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

價(jià)值

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