1月8日的科學(xué)進(jìn)展（Science Advances）期刊發(fā)布了康奈爾大學(xué)的一項(xiàng)合作發(fā)現(xiàn)，利用藍(lán)寶石生長(zhǎng)氧化鎵，生成α-鋁鎵氧化物超寬禁帶半導(dǎo)體，其帶隙擴(kuò)展到幾乎是硅的8倍。

在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的α-鋁-鎵氧化物的示意圖

這篇論文是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室康奈爾外延解決方案中心（ACCESS）實(shí)驗(yàn)室的最新發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)室于2018年啟動(dòng)，旨在探索氧化鎵在下一代電子產(chǎn)品中的潛在用途。

氧化鎵家族各不相同，它們共享相同的原子，但有著稍微不同的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了完全不同的電子和光學(xué)性質(zhì)。到目前為止，科學(xué)家們更喜歡β相，因?yàn)樗沁@種物質(zhì)最穩(wěn)定的形式。但由于其更寬的帶隙，最具誘人前景的相是α-氧化鎵及其與α-氧化鋁的組合。α相氧化鎵的主要缺點(diǎn)是它不如β相氧化鎵穩(wěn)定，這是科研人員需要克服的方向。

研究人員使用分子束外延技術(shù)（非正式地稱為“原子噴涂”）來(lái)制造單層薄膜。然后，利用掃描透射電子顯微鏡研究了原子的排列方式，并檢測(cè)出可能是由于晶格排列不整齊造成的缺陷。這些缺陷往往賦予材料獨(dú)特的特性，但它們會(huì)破壞電子或光子器件的性能。問(wèn)題就在于不同相的摻雜。

研究小組最終確定了藍(lán)寶石右刻面的正確對(duì)稱性，稱為m面，這形成了穩(wěn)定的α-氧化鎵薄膜。他們慢慢地用鋁取代了一些鎵原子，以進(jìn)一步擴(kuò)大其帶隙。傳統(tǒng)的氧化鎵具有3到4.7ev（電子伏特）的帶隙；每一個(gè)電子伏特都代表著性能的巨大飛躍。β-氧化鎵達(dá)到4.8ev。新的α-鋁鎵氧化物的帶隙從5.4ev開(kāi)始，隨著更多的鋁被交換進(jìn)來(lái)，它的帶隙擴(kuò)展到8.6ev，幾乎是硅帶隙的8倍。

α-鋁鎵氧化物不僅足夠堅(jiān)固，能夠在高速和高溫下處理大量能量，而且重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，這些特性使其成為航空技術(shù)以及其他高功率電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部件。這種材料的效率也非常高，可以減少太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程中的能量損失。研究人員表示，“同時(shí)，這也迫使我們重新思考那些我們一直認(rèn)為是絕緣體的材料，比如藍(lán)寶石。我們真的可以像對(duì)待氮化硅和氮化鎵那樣，通過(guò)摻雜來(lái)改變它們的性質(zhì)，從而控制它們的能隙和電子性質(zhì)，從而更好利用它嗎？”

編譯 YUXI