美科研人员：氧化镓有望应用于高频通信系统等领域

导读

近日，在《应用物理快报》杂志上发表的论文中，新实验展示了一种宽禁带半导体材料氧化镓（Ga₂O₃）被设计到一种纳米结构中，从而使得电子在晶体结构中移动得更快，因此Ga₂O₃有望成为一种用于高频通信系统和节能电力电子器件的理想材料。

背景

宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV）被称为第三代半导体材料，主要包括金刚石、SiC、GaN等。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点。

新一代的节能电力电子器件、高频通信系统、固态照明系统都依赖于宽禁带半导体材料。基于这些材料的电路比传统的硅基电路，具有更高的功率密度、更低的功耗。举个典型的例子，这些材料带来了LED照明系统的革命，因此在2014年赢得了诺贝尔物理奖。

创新

在美国物理联合会出版的《应用物理快报（Applied Physics Letters）》杂志上发表的论文中，新实验展示了一种宽禁带半导体材料氧化镓（Ga₂O₃）被设计到一种纳米结构中，从而使得电子在晶体结构中移动得更快。因为电子如此容易地流动，所以Ga₂O₃有望成为一种用于高频通信系统和节能电力电子器件的理想材料。

（图片来源：Choong Hee Lee 和Yuewei Zhang）

研究的领导者、美国俄亥俄州立大学的Siddharth Rajan 表示：“氧化镓带来的晶体管将超越现有技术。”

技术

因为Ga₂O₃是带隙（电子由价带被激发到导带上所需要的能量）最大的宽禁带半导体材料之一，而这些宽禁带半导体材料的开发是为了取代硅，特别是用于高功率设备和高频率设备。Ga₂O₃在众多的宽禁带半导体器件中也显得很独特，它可以直接通过熔融形式来制造，从而可以用于大规模制造高质量的晶体。

为了在电子器件中应用，材料中的电子必须能够在电场中轻易地移动，这种特性称为“高电子迁移率”。Rajan 表示：“这是任何器件的关键参数。”一般来说，为了让半导体中的电子更加容易地移动，材料必须掺杂其他成分。然而，问题是掺杂物也会散射电子，从而限制了材料中电子的移动能力。

为了解决这一问题，研究人员采用了一种名为“调制掺杂”（modulation doping）的技术。1979年，Takashi Mimura 在设计砷化镓高电子迁移率晶体管时开发出这项技术，他也因此在2017年赢得的京都奖。虽然现在这已经是一种用于实现高电子迁移率的普遍技术，但是在Ga₂O₃上的应用仍然是新的。

在研究中，研究人员创造出一种半导体异质结构，在Ga₂O₃ 以其铝合金物铝镓氧化物之间，创造出原子级的完美界面。Ga₂O₃与铝镓氧化物具有相同的晶体结构，但是却具有不同的带隙。在离界面几纳米的位置，一片仅有几个原子厚度的电子掺杂物被嵌入在铝镓氧化物中。掺杂的电子转移到Ga₂O₃中，形成了二维电子气体。但是，由于现在电子也与铝镓氧化物中的掺杂物分离达几纳米（因为调制掺杂这个词），所以它们更少地发生散射并保持高的迁移率。

研究人员采用这项技术，实现了电子迁移率记录。同时，他们也能观察到一种量子现象，即“Shubnikov-de Haas oscillation”。在这种现象中，增加外部磁场的强度，会引起材料的电阻发生振荡。这些振荡巩固了高迁移率二维电子气体的形成，并使得研究人员可测量关键的材料特性。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

Rajan 解释道，这种调制掺杂的结构将带来新型量子结构以及充分利用Ga₂O₃潜力的电子器件。

关键字

材料、电子、功率、半导体

参考资料

【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