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硅的8倍?利用蓝宝石生长氧化镓制备出超宽禁带半导体
2021年01月25日 发布 分类:技术前沿 点击量:351
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1月8日的科学进展(Science Advances)期刊发布了康奈尔大学的一项合作发现,利用蓝宝石生长氧化镓,生成α-铝镓氧化物超宽禁带半导体,其带隙扩展到几乎是硅的8倍。

在蓝宝石衬底上生长的α-铝-镓氧化物的示意图

这篇论文是美国空军研究实验室康奈尔外延解决方案中心(ACCESS)实验室的最新发现,该实验室于2018年启动,旨在探索氧化镓在下一代电子产品中的潜在用途。

氧化镓家族各不相同,它们共享相同的原子,但有着稍微不同的结构,产生了完全不同的电子和光学性质。到目前为止,科学家们更喜欢β相,因为它是这种物质最稳定的形式。但由于其更宽的带隙,最具诱人前景的相是α-氧化镓及其与α-氧化铝的组合。α相氧化镓的主要缺点是它不如β相氧化镓稳定,这是科研人员需要克服的方向。

研究人员使用分子束外延技术(非正式地称为“原子喷涂”)来制造单层薄膜。然后,利用扫描透射电子显微镜研究了原子的排列方式,并检测出可能是由于晶格排列不整齐造成的缺陷。这些缺陷往往赋予材料独特的特性,但它们会破坏电子或光子器件的性能。问题就在于不同相的掺杂。

研究小组最终确定了蓝宝石右刻面的正确对称性,称为m面,这形成了稳定的α-氧化镓薄膜。他们慢慢地用铝取代了一些镓原子,以进一步扩大其带隙。传统的氧化镓具有3到4.7ev(电子伏特)的带隙;每一个电子伏特都代表着性能的巨大飞跃。β-氧化镓达到4.8ev。新的α-铝镓氧化物的带隙从5.4ev开始,随着更多的铝被交换进来,它的带隙扩展到8.6ev,几乎是硅带隙的8倍。

α-铝镓氧化物不仅足够坚固,能够在高速和高温下处理大量能量,而且重量轻、结构紧凑,这些特性使其成为航空技术以及其他高功率电子产品的关键部件。这种材料的效率也非常高,可以减少太阳能转换和传输过程中的能量损失。研究人员表示,“同时,这也迫使我们重新思考那些我们一直认为是绝缘体的材料,比如蓝宝石。我们真的可以像对待氮化硅和氮化镓那样,通过掺杂来改变它们的性质,从而控制它们的能隙和电子性质,从而更好利用它吗?”

编译 YUXI


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