氮化鎵是一種能在高電壓、高溫、高頻下穩(wěn)定工作的半導(dǎo)體，廣泛應(yīng)用于LED照明、大功率電子器件等領(lǐng)域。在一項(xiàng)最新研究中，美國(guó)康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次觀察到氮化鎵空穴中的量子振蕩，為拓展其應(yīng)用邊界帶來(lái)新的可能。相關(guān)研究成果發(fā)表于最近的《自然·電子學(xué)》雜志。

氮化鎵之所以備受青睞，主要得益于其內(nèi)部帶負(fù)電的電子具有極高的遷移率。然而，若想充分發(fā)揮其潛力，科學(xué)家需要更深入地理解帶正電的“空穴”，并學(xué)會(huì)像在硅半導(dǎo)體中那樣自如地操控空穴的流動(dòng)。

在最新研究中，團(tuán)隊(duì)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(xiàn)了量子振蕩。這些振蕩如同電子結(jié)構(gòu)的探針，能夠揭示材料的有效質(zhì)量等關(guān)鍵特性。

團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)，他們制備出晶格幾乎完美、缺陷極少的優(yōu)質(zhì)晶體，其空穴遷移率創(chuàng)下新高，為觀測(cè)到量子振蕩奠定了基礎(chǔ)。他們還利用洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高磁場(chǎng)脈沖場(chǎng)設(shè)施提供的極高脈沖磁場(chǎng)，以及可在低至2開(kāi)爾文的極低溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的電觸點(diǎn)。借助這些先進(jìn)工具，團(tuán)隊(duì)得以直接“看見(jiàn)”氮化鎵的價(jià)帶（材料內(nèi)電子占據(jù)的最高能帶）結(jié)構(gòu)，首次厘清了其中快速移動(dòng)的輕空穴與運(yùn)動(dòng)遲緩的重空穴之間的差異等關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

這項(xiàng)關(guān)于量子振蕩的發(fā)現(xiàn)，建立在此前系列研究的基礎(chǔ)上。從首次發(fā)現(xiàn)二維空穴氣體與光空穴，到測(cè)量空穴遷移速率，團(tuán)隊(duì)逐步勾勒出氮化鎵中空穴行為的面貌。

團(tuán)隊(duì)希望借助這些新發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出兼具寬禁帶材料優(yōu)勢(shì)與硅基電荷傳輸能力的半導(dǎo)體器件，并進(jìn)一步探明能否提升氮化鎵中空穴的遷移率。除改進(jìn)晶體管設(shè)計(jì)，這項(xiàng)研究也為探索寬帶隙半導(dǎo)體內(nèi)的量子現(xiàn)象開(kāi)辟了新途徑。