Galliumoxid viser høj elektronmobilitet, hvilket gør det lovende for bedre og billigere enheder

Den næste generation af energieffektiv strømelektronik, højfrekvente kommunikationssystemer, og solid-state-belysning er afhængig af materialer, der kaldes halvledere med bredt bånd. Kredsløb baseret på disse materialer kan fungere ved meget højere effekttætheder og med lavere effekttab end siliciumbaserede kredsløb. Disse materialer har muliggjort en revolution inden for LED -belysning, hvilket førte til Nobelprisen i fysik i 2014.

I nye forsøg rapporteret i Anvendt fysik bogstaver , forskere har vist, at en halvleder med bred båndgab kaldet galliumoxid (Ga2O3) kan konstrueres til strukturer i nanometerskala, der tillader elektroner at bevæge sig meget hurtigere i krystalstrukturen. Med elektroner, der bevæger sig med så let, Ga2O3 kan være et lovende materiale til applikationer såsom højfrekvente kommunikationssystemer og energieffektiv strømelektronik.

"Galliumoxid har potentialet til at muliggøre transistorer, der ville overgå den nuværende teknologi, "sagde Siddharth Rajan fra Ohio State University, der ledede forskningen.

Fordi Ga2O3 har et af de største båndgap (energien, der er nødvendig for at excitere en elektron, så den er ledende) af de brede båndgapmaterialer, der udvikles som alternativer til silicium, Det er især nyttigt til højeffekt- og højfrekvente enheder. Det er også unikt blandt bredbåndsgabshalvledere, fordi det kan fremstilles direkte fra dets smeltede form, som muliggør storstilet fremstilling af krystaller af høj kvalitet.

Til brug i elektroniske enheder, elektronerne i materialet skal let kunne bevæge sig under et elektrisk felt, en ejendom kaldet høj elektronmobilitet. "Det er en nøgleparameter for enhver enhed, "Sagde Rajan. Normalt, at udfylde en halvleder med elektroner, materialet er dopet med andre elementer. Problemet, imidlertid, er, at dopingstofferne også spreder elektroner, begrænser materialets elektronmobilitet.

For at løse dette problem, forskerne brugte en teknik kendt som modulationsdoping. Fremgangsmåden blev først udviklet i 1979 af Takashi Mimura for at skabe en galliumarsenid-højelektronmobilitetstransistor, som vandt Kyoto -prisen i 2017. Selvom det nu er en almindeligt anvendt teknik til at opnå høj mobilitet, dens anvendelse på Ga2O3 er noget nyt.

I deres arbejde, forskerne skabte en såkaldt halvleder heterostruktur, skabe en atomisk perfekt grænseflade mellem Ga2O3 og dets legering med aluminium, aluminium galliumoxid - to halvledere med samme krystalstruktur men forskellige energigab. Et par nanometer væk fra grænsefladen, indlejret i aluminium galliumoxid, er et ark med elektron-donerende urenheder, der kun er få atomer tykke. De donerede elektroner overføres til Ga2O3, danner en 2-D elektrongas. Men fordi elektronerne nu også er adskilt fra dopingmidlerne (heraf udtrykket modulationsdoping) i aluminiumgalliumoxidet med et par nanometer, de spredes meget mindre og forbliver meget mobile.

Ved hjælp af denne teknik, forskerne nåede rekordhøj mobilitet. Forskerne var også i stand til at observere Shubnikov-de Haas-svingninger, et kvantefænomen, hvor forøgelse af styrken af ​​et eksternt magnetfelt får materialets modstand til at svinge. Disse svingninger bekræfter dannelsen af ​​2-D elektrongas med høj mobilitet og giver forskerne mulighed for at måle kritiske materialegenskaber.

Rajan forklarede, at sådanne modulationsdopede strukturer kunne føre til en ny klasse af kvantestrukturer og elektronik, der udnytter potentialet i Ga2O3.