11月16日消息,由德累斯頓-羅森多夫赫爾姆霍茲中心(HZDR)的科學家參與的一個研究小組已經證明了如何通過在半導體的晶體晶格中可控地加入氫來調節最穩定形式的氧化鎵(β-Ga2O3)的導電性。


德國HZDR科學家發明新技術控制半導體中的可逆電導率


半導體氧化鎵被認為是潛在用于電力電子領域的一個有前途的候選材料,但到目前為止,有許多障礙阻擋在它的道路上,特別是如何具體影響該材料的導電性。


對于來自俄亥俄州鮑林格林、德累斯頓、伯克利和洛斯阿拉莫斯的團隊來說,他們的研究結果已經發表在《科學報告》雜志上,他們的研究集中在材料的一個特別引人注目的特性上:其帶隙的寬度,這是衡量固體中價帶和傳導帶之間的能量距離。


在溫度極低的半導體中,最初表現出負載載流子的只是價帶:材料是不導電的。然而,通過輸入能量,它們可以轉移到傳導帶,從而實現電流的流動。


"專家們將氧化鎵的帶隙描述為超寬,"HZDR核物理部門負責人、該研究的共同作者Andreas Wagner博士說。"這使得這種材料對電力電子學特別有吸引力,因為它有望在高電場強度范圍內進行應用,這將不可避免地摧毀今天的成熟半導體。" 但有一個問題:增加帶隙能量會導致通常的摻雜技術的效率下降。


軟摻雜是指在半導體中加入外來原子,在傳導帶中釋放額外的載流子。當使用電子時,科學家將其稱為n-摻雜或負摻雜,然后導致n-或p-導電性。然而,加入外來原子會在帶隙中引入新的能級,從而影響材料的帶結構,嚴重改變半導體的電子特性。使用氫摻雜,原有半導體的電子特性幾乎沒有變化--負載載流子的濃度增加。


科學家們的研究結果證明了建立氧化鎵作為雙極晶體管源材料的新途徑。在這些經典的半導體元件中,n-和p-摻雜層被結合在一起,這樣就可以借助一個小的控制電流來控制更大的電流流。它們可以用于放大器和開關中。為了生產這兩種層,通常會結合兩種不同的材料。根據研究團隊的說法,這里的訣竅是,科學家可以通過加入氫氣,在一種單一材料中達到同樣的效果。


研究人員已經能夠將氫氣儲存在氧化鎵的晶格中。量子化學計算表明,氧化鎵表面的氫分子最初會分解成帶電的氫碎片,這些氫碎片在表面被吸收。在高溫下,它們在晶體中擴散并占據了雜質。這些是晶體晶格中半導體材料中鎵離子和氧離子應該存在的地方。但它們是缺失的:相反,現有的空隙是帶正電或負電的,這取決于缺失的構件的性質--這使得它們對同樣帶電的氫碎片感興趣。


"我們能夠證明,這不僅使我們能夠改變導電性的程度,而且還能改變其性質。只加入一點氫氣,就會使材料表現得像一個p摻雜的半導體,而加入更多的氫氣則會使其切換到n傳導模式,"瓦格納博士解釋說。


除其他外,科學家們現在期望在生產電力電子和光電子器件的過程中大幅降低能耗和制造成本。到目前為止,主要的問題是將氧化鎵轉移到p導和n導--由于他們的氫氣方法,研究人員現在已經達到了這個臨時目標。

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