De volgende generatie energiezuinige vermogenselektronica, hoogfrequente communicatiesystemen, en halfgeleiderverlichting zijn afhankelijk van materialen die bekend staan ​​als halfgeleiders met een brede bandgap. Circuits op basis van deze materialen kunnen werken bij veel hogere vermogensdichtheden en met lagere vermogensverliezen dan op silicium gebaseerde circuits. Deze materialen hebben een revolutie in LED-verlichting mogelijk gemaakt, wat leidde tot de Nobelprijs voor de natuurkunde 2014.

In nieuwe experimenten gerapporteerd in Technische Natuurkunde Brieven , onderzoekers hebben aangetoond dat een halfgeleider met een brede bandgap, galliumoxide (Ga2O3) genaamd, kan worden geconstrueerd tot structuren op nanometerschaal waardoor elektronen veel sneller binnen de kristalstructuur kunnen bewegen. Met elektronen die zo gemakkelijk bewegen, Ga2O3 kan een veelbelovend materiaal zijn voor toepassingen zoals hoogfrequente communicatiesystemen en energiezuinige vermogenselektronica.

"Galliumoxide heeft het potentieel om transistors mogelijk te maken die de huidige technologie zouden overtreffen, " zei Siddharth Rajan van de Ohio State University, die het onderzoek leidde.

Omdat Ga2O3 een van de grootste bandgaps heeft (de energie die nodig is om een ​​elektron te exciteren zodat het geleidend is) van de materialen met een brede bandgap die worden ontwikkeld als alternatief voor silicium, het is vooral handig voor apparaten met een hoog vermogen en hoge frequentie. Het is ook uniek onder halfgeleiders met een brede bandgap omdat het direct uit zijn gesmolten vorm kan worden geproduceerd, die grootschalige productie van hoogwaardige kristallen mogelijk maakt.

Voor gebruik in elektronische apparaten, de elektronen in het materiaal moeten zich gemakkelijk kunnen verplaatsen onder een elektrisch veld, een eigenschap die hoge elektronenmobiliteit wordt genoemd. "Dat is een belangrijke parameter voor elk apparaat, " zei Rajan. Normaal gesproken, om een ​​halfgeleider te vullen met elektronen, het materiaal is gedoteerd met andere elementen. Het probleem, echter, is dat de doteermiddelen ook elektronen verstrooien, beperking van de elektronenmobiliteit van het materiaal.

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers gebruikten een techniek die bekend staat als modulatiedoping. De aanpak werd voor het eerst ontwikkeld in 1979 door Takashi Mimura om een ​​galliumarsenide-transistor met hoge elektronenmobiliteit te creëren, die in 2017 de Kyoto-prijs won. Hoewel het nu een veelgebruikte techniek is om een ​​hoge mobiliteit te bereiken, de toepassing ervan op Ga2O3 is iets nieuws.

In hun werk, de onderzoekers creëerden een zogenaamde halfgeleider heterostructuur, het creëren van een atomair perfecte interface tussen Ga2O3 en zijn legering met aluminium, aluminiumgalliumoxide - twee halfgeleiders met dezelfde kristalstructuur maar verschillende energiehiaten. Een paar nanometer verwijderd van de interface, ingebed in het aluminium galliumoxide, is een plaat van elektronendonerende onzuiverheden van slechts enkele atomen dik. De gedoneerde elektronen gaan over in de Ga2O3, vorming van een 2D elektronengas. Maar omdat de elektronen nu ook enkele nanometers gescheiden zijn van de doteerstoffen (vandaar de term modulatiedoping) in het aluminium galliumoxide, ze verspreiden zich veel minder en blijven zeer mobiel.

Met behulp van deze techniek, de onderzoekers bereikten recordmobiliteiten. De onderzoekers konden ook Shubnikov-de Haas-oscillaties waarnemen, een kwantumfenomeen waarbij het vergroten van de sterkte van een extern magnetisch veld ervoor zorgt dat de weerstand van het materiaal oscilleert. Deze oscillaties bevestigen de vorming van het 2D-elektronengas met hoge mobiliteit en stellen de onderzoekers in staat kritische materiaaleigenschappen te meten.

Rajan legde uit dat dergelijke modulatie-gedoteerde structuren zouden kunnen leiden tot een nieuwe klasse van kwantumstructuren en elektronica die het potentieel van Ga2O3 benut.