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。與第一代、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）

研究的領導者、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）最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獨特，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，創造出原子級的完美界面。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。

關鍵字

材料、電子、功率、半導體

參考資料

【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/getting-electrons-move-semiconductor?TRACK=aipp-china
【2】Yuewei Zhang, Adam Neal, Zhanbo Xia, Chandan Joishi, Jared M. Johnson, Yuanhua Zheng, Sanyam Bajaj, Mark Brenner, Donald Dorsey, Kelson Chabak, Gregg Jessen, Jinwoo Hwang, Shin Mou, Joseph P. Heremans, Siddharth Rajan. Demonstration of high mobility and quantum transport in modulation-doped β-(AlxGa1-x)₂O₃/Ga₂O₃ heterostructures. Applied Physics Letters, 2018; 112 (17): 173502 DOI: 10.1063/1.5025704