Nästa generation av energieffektiv kraftelektronik, högfrekventa kommunikationssystem, och solid-state-belysning förlitar sig på material som kallas bredbandiga halvledare. Kretsar baserade på dessa material kan fungera med mycket högre effekttätheter och med lägre effektförluster än kiselbaserade kretsar. Dessa material har möjliggjort en revolution inom LED -belysning, vilket ledde till Nobelpriset i fysik 2014.

I nya experiment rapporterade i Tillämpad fysikbokstäver , forskare har visat att en bredbandig halvledare kallad galliumoxid (Ga2O3) kan konstrueras till nanometerskalestrukturer som gör att elektroner kan röra sig mycket snabbare inom kristallstrukturen. Med elektroner som rör sig så lätt, Ga2O3 kan vara ett lovande material för applikationer som högfrekventa kommunikationssystem och energieffektiv kraftelektronik.

"Galliumoxid har potential att möjliggöra transistorer som skulle överträffa nuvarande teknik, "sa Siddharth Rajan från Ohio State University, som ledde forskningen.

Eftersom Ga2O3 har en av de största bandgapen (energin som behövs för att excitera en elektron så att den är ledande) av de breda bandgapmaterialen som utvecklas som alternativ till kisel, Det är särskilt användbart för högeffekts- och högfrekventa enheter. Det är också unikt bland breda bandgap -halvledare genom att det kan produceras direkt från sin smälta form, vilket möjliggör storskalig tillverkning av högkvalitativa kristaller.

För användning i elektroniska enheter, elektronerna i materialet måste kunna röra sig lätt under ett elektriskt fält, en egenskap som kallas hög elektronmobilitet. "Det är en nyckelparameter för alla enheter, "Sa Rajan. Normalt sett att fylla en halvledare med elektroner, materialet är dopat med andra element. Problemet, dock, är att dopämnena också sprider elektroner, begränsa materialets elektronmobilitet.

För att lösa det här problemet, forskarna använde en teknik som kallas moduleringsdopning. Tillvägagångssättet utvecklades först 1979 av Takashi Mimura för att skapa en galliumarsenid med hög elektronmobilitetstransistor, som vann Kyoto -priset 2017. Även om det nu är en vanligt förekommande teknik för att uppnå hög rörlighet, dess tillämpning på Ga2O3 är något nytt.

I deras arbete, forskarna skapade en så kallad halvledar heterostruktur, skapa ett atomiskt perfekt gränssnitt mellan Ga2O3 och dess legering med aluminium, aluminiumgalliumoxid - två halvledare med samma kristallstruktur men olika energigap. Några nanometer från gränssnittet, inbäddad i aluminiumgalliumoxiden, är ett ark med elektrondonerande föroreningar som bara är några atomer tjocka. De donerade elektronerna överförs till Ga2O3, bildande av en 2-D elektrongas. Men eftersom elektronerna nu också separeras från dopningsmedlen (därav termen moduleringsdopning) i aluminiumgalliumoxiden med några nanometer, de sprider mycket mindre och förblir mycket rörliga.

Med denna teknik, forskarna nådde rekordmobilitet. Forskarna kunde också observera Shubnikov-de Haas-svängningar, ett kvantfenomen där ökad styrka hos ett yttre magnetfält får materialets motstånd att svänga. Dessa svängningar bekräftar bildandet av högmobil 2-D elektrongas och tillåter forskarna att mäta kritiska materialegenskaper.

Rajan förklarade att sådana moduleringsdopade strukturer kan leda till en ny klass av kvantstrukturer och elektronik som utnyttjar potentialen för Ga2O3.