11月16日消息,由德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心(HZDR)的科学家参与的一个研究小组已经证明了如何通过在半导体的晶体晶格中可控地加入氢来调节最稳定形式的氧化镓(β-Ga2O3)的导电性。


德国HZDR科学家发明新技术控制半导体中的可逆电导率


半导体氧化镓被认为是潜在用于电力电子领域的一个有前途的候选材料,但到目前为止,有许多障碍阻挡在它的道路上,特别是如何具体影响该材料的导电性。


对于来自俄亥俄州鲍林格林、德累斯顿、伯克利和洛斯阿拉莫斯的团队来说,他们的研究结果已经发表在《科学报告》杂志上,他们的研究集中在材料的一个特别引人注目的特性上:其带隙的宽度,这是衡量固体中价带和传导带之间的能量距离。


在温度极低的半导体中,最初表现出负载载流子的只是价带:材料是不导电的。然而,通过输入能量,它们可以转移到传导带,从而实现电流的流动。


"专家们将氧化镓的带隙描述为超宽,"HZDR核物理部门负责人、该研究的共同作者Andreas Wagner博士说。"这使得这种材料对电力电子学特别有吸引力,因为它有望在高电场强度范围内进行应用,这将不可避免地摧毁今天的成熟半导体。" 但有一个问题:增加带隙能量会导致通常的掺杂技术的效率下降。


软掺杂是指在半导体中加入外来原子,在传导带中释放额外的载流子。当使用电子时,科学家将其称为n-掺杂或负掺杂,然后导致n-或p-导电性。然而,加入外来原子会在带隙中引入新的能级,从而影响材料的带结构,严重改变半导体的电子特性。使用氢掺杂,原有半导体的电子特性几乎没有变化--负载载流子的浓度增加。


科学家们的研究结果证明了建立氧化镓作为双极晶体管源材料的新途径。在这些经典的半导体元件中,n-和p-掺杂层被结合在一起,这样就可以借助一个小的控制电流来控制更大的电流流。它们可以用于放大器和开关中。为了生产这两种层,通常会结合两种不同的材料。根据研究团队的说法,这里的诀窍是,科学家可以通过加入氢气,在一种单一材料中达到同样的效果。


研究人员已经能够将氢气储存在氧化镓的晶格中。量子化学计算表明,氧化镓表面的氢分子最初会分解成带电的氢碎片,这些氢碎片在表面被吸收。在高温下,它们在晶体中扩散并占据了杂质。这些是晶体晶格中半导体材料中镓离子和氧离子应该存在的地方。但它们是缺失的:相反,现有的空隙是带正电或负电的,这取决于缺失的构件的性质--这使得它们对同样带电的氢碎片感兴趣。


"我们能够证明,这不仅使我们能够改变导电性的程度,而且还能改变其性质。只加入一点氢气,就会使材料表现得像一个p掺杂的半导体,而加入更多的氢气则会使其切换到n传导模式,"瓦格纳博士解释说。


除其他外,科学家们现在期望在生产电力电子和光电子器件的过程中大幅降低能耗和制造成本。到目前为止,主要的问题是将氧化镓转移到p导和n导--由于他们的氢气方法,研究人员现在已经达到了这个临时目标。

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