科技日報記者 劉霞
氮化鎵是一種能在高電壓、高溫、高頻下穩定工作的半導體，廣泛應用于LED照明、大功率電子器件等領域。在一項最新研究中，美國康奈爾大學研究團隊首次觀察到氮化鎵空穴中的量子振蕩，為拓展其應用邊界帶來新的可能。相關研究成果發表于最近的《自然·電子學》雜志。
氮化鎵之所以備受青睞，主要得益于其內部帶負電的電子具有極高的遷移率。然而，若想充分發揮其潛力，科學家需要更深入地理解帶正電的“空穴”，并學會像在硅半導體中那樣自如地操控空穴的流動。
在最新研究中，團隊觀察到，在氮化鎵與氮化鋁交界處形成的二維空穴氣體中，空穴出現了量子振蕩。這些振蕩如同電子結構的探針，能夠揭示材料的有效質量等關鍵特性。
團隊解釋說，他們制備出晶格近乎完美、缺陷極少的優質晶體，其空穴遷移率創下新高，為觀測到量子振蕩奠定了基礎。他們還利用洛斯阿拉莫斯國家實驗室高磁場脈沖場設施提供的極高脈沖磁場，以及可在低至2開爾文的極低溫環境下穩定工作的電觸點。借助這些先進工具，團隊得以直接“看見”氮化鎵的價帶（材料內電子占據的最高能帶）結構，首次厘清了其中快速移動的輕空穴與運動遲緩的重空穴之間的差異等關鍵細節。
這項關于量子振蕩的發現，建立在此前系列研究的基礎上。從首次發現二維空穴氣體與光空穴，到測量空穴遷移速率，團隊逐步勾勒出氮化鎵中空穴行為的面貌。
團隊希望借助這些新發現，設計出兼具寬禁帶材料優勢與硅基電荷傳輸能力的半導體器件，并進一步探明能否提升氮化鎵中空穴的遷移率。除改進晶體管設計，這項研究也為探索寬帶隙半導體內的量子現象開辟了新途徑。
