掺硅氧化铝镓薄膜导电带隙刷新纪录

原标题：掺硅氧化铝镓薄膜导电带隙刷新纪录

科技日报北京10月27日电 （记者刘霞）更宽带隙的半导体，能让电子产品更小、更高效，也能承受更高电压。但带隙越宽，材料导电性就越难控制。美国康奈尔大学领导的研究团队证明，在氧化铝镓薄膜中掺入硅，可在比以往任何半导体带隙都宽的情况下，依然保持稳定的导电调控能力。相关论文发表于新一期《自然》杂志。

半导体中有两个关键能量区间：较低的“价带”和较高的“导带”。电子在价带中被原子牢牢束缚，无法导电；一旦获得足够能量跃入导带，就能自由移动并传导电流。电子实现这种跃迁并使半导体在绝缘和导电状态之间切换所需的能量，即为“带隙”。

带隙越宽，材料越能承受强电场。氮化镓、碳化硅等宽带隙半导体，已广泛用于快充充电器、电动汽车等领域。氧化铝镓则更具潜力：通过调节铝与镓的比例，其带隙可在5.4至8.6电子伏之间变化，是已知半导体中可调范围最广的材料之一。

但问题在于，铝含量越高，越难向材料中注入自由电子。此前，富铝薄膜的导电性比富镓薄膜低几个数量级，难以用于实际电子器件。

为破解这一难题，团队采用分子束外延技术，在蓝宝石衬底上逐原子层生长氧化膜，并掺入少量硅。硅原子为薄膜提供了多余电子，使其在保持超大带隙的同时具备良好导电性。随后，团队测试了薄膜的电学性能，并将其制成二极管和晶体管。

结果显示，掺硅薄膜在带隙超过7电子伏时仍能导电，打破了此前由立方氮化硼保持的纪录。在6电子伏以上的“巨大带隙”区间，其室温导电性比以往报道高出1亿倍以上，且成功用于二极管和晶体管器件。

与金刚石、立方氮化硼等超宽带隙材料相比，蓝宝石储量丰富、成本低，且已实现高质量规模化生产，这使该技术更具产业化前景。团队希望，这类薄膜能为新一代电力电子器件铺路，从而显著降低电能转换与控制过程中的热量损耗。