氮化镓空穴中量子振荡首次“现形”

氮化镓是一种能在高电压、高温、高频下稳定工作的半导体，广泛应用于LED照明、大功率电子器件等领域。在一项最新研究中，美国康奈尔大学研究团队首次观察到氮化镓空穴中的量子振荡，为拓展其应用边界带来新的可能。相关研究成果发表于新一期《自然·电子学》杂志。

研究示意图。图片来源：《自然·电子学》杂志

氮化镓之所以备受青睐，主要得益于其内部带负电的电子具有极高的迁移率。然而，若想充分发挥其潜力，科学家需要更深入地理解带正电的“空穴”，并学会像在硅半导体中那样自如地操控空穴的流动。

在最新研究中，团队观察到，在氮化镓与氮化铝交界处形成的二维空穴气体中，空穴出现了量子振荡。这些振荡如同电子结构的探针，能够揭示材料的有效质量等关键特性。

团队解释说，他们制备出晶格近乎完美、缺陷极少的优质晶体，其空穴迁移率创下新高，为观测到量子振荡奠定了基础。他们还利用洛斯阿拉莫斯国家实验室高磁场脉冲场设施提供的极高脉冲磁场，以及可在低至2开尔文的极低温环境下稳定工作的电触点。借助这些先进工具，团队得以直接“看见”氮化镓的价带（材料内电子占据的最高能带）结构，首次厘清了其中快速移动的轻空穴与运动迟缓的重空穴之间的差异等关键细节。

这项关于量子振荡的发现，建立在此前系列研究的基础上。从首次发现二维空穴气体与光空穴，到测量空穴迁移速率，团队逐步勾勒出氮化镓中空穴行为的面貌。

团队希望借助这些新发现，设计出兼具宽禁带材料优势与硅基电荷传输能力的半导体器件，并进一步探明能否提升氮化镓中空穴的迁移率。除改进晶体管设计，这项研究也为探索宽带隙半导体内的量子现象开辟了新途径。