【国际论文】当带隙突破 7 eV：《Nature》报道氧化镓相关合金实现有效掺杂与晶体管调控

        《自然》（Nature）创刊于 1869 年，是 Springer Nature 旗下全球顶尖综合性科学周刊，收录生命科学、物理、材料、地球科学等多领域具有重大原创突破的研究成果，设有研究论文、快报、专家评述等栏目，采用同行评审机制，录用门槛极高；历史上发表过 DNA 双螺旋、CRISPR 等里程碑式科研工作，同时拥有众多专科子刊，是国际科学界公认的顶级学术期刊。

        在高压功率电子学中，使用带隙（E_g）更宽的半导体可显著提升器件的效率与功率密度，其巴利加优值（Baliga's figure of merit）与 E_g^5.5 成正比；然而，随着材料带隙的增大，通过平衡态掺杂来受控调节材料导电性的难度剧增，绝大多数带隙超过 6 eV 的“巨带隙”（Colossal-Bandgap, CBG）材料（如立方氮化硼 c-BN、金刚石等）长期面临掺杂激活困难、缺陷补偿严重、合成成本高昂且难以获得大尺寸单晶衬底的瓶颈。

        在功率电子器件的改进中，宽带隙（E_g）半导体能够实现更高的效率和功率密度，其巴里加品质因数（Baliga figure of merit）与 E_g^5.5 成正比。遗憾的是，随着带隙的增加，半导体通过平衡掺杂方法可控地调节其电导率数个数量级的独特能力变得越来越难以实现。对宽带隙半导体的需求日益增长，使得许多先前被视为绝缘体的材料——包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga₂O₃）和二氧化锗（GeO₂）——在降低缺陷密度并找到合适的掺杂剂后，逐渐成为有用的半导体材料。本文报道了通过亚氧化物分子束外延技术生长的硅掺杂 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜，其带隙超过 7.0 电子伏特，超过了已知的下一个宽带隙半导体——立方氮化硼。在宽带隙（>6 电子伏特）范围内，该团队的硅掺杂 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜的室温电导率比以往所有报道高出 1 亿倍以上。该团队制造了具有宽带隙沟道的肖特基二极管和场效应晶体管（AlphaFET）。这些 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜和器件使用蓝宝石作为基底，蓝宝石是一种储量丰富、价格低廉且质量优异的材料，可大规模生产，这有助于宽带隙电子器件的开发和应用。该团队的成就打破了宽带隙半导体（如金刚石和立方氮化硼）合成难度、成本和小尺寸不断增大的趋势。

        ①突破“巨带隙”导电极限：利用副氧化物分子束外延（S-MBE）技术与有效硅（Si）掺杂，首次成功制备出带隙高达 7.0 eV 的 n 型 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜。在带隙大于 6 eV 的巨带隙区间内，其室温导电率比以往所有文献报道高出 1 亿倍（10⁸ 倍）以上。

        ②实现超低激活能与可控掺杂：温度依赖的霍尔效应测量表明，硅施主在该材料中的激活能仅为 110±20 meV，远低于同为超宽禁带材料的 AIN（260 meV）和 c-BN（240 meV），成功展示出优异的半导体导电行为。

        ③研制创纪录的巨带隙电子器件：

        AlphaDiode（肖特基二极管）：实现了目前有记录以来带隙最宽（超 6.7 eV）的半导体二极管，整流开关比大于 10⁷，击穿电压达 615 V，横向击穿电场强度（F_br）高达 ≈ 12 MV·cm⁻¹。

        AlphaFET（场效应晶体管）：成功构建了以 7-eV 巨带隙材料为沟道的增强型（Normally-off）场效应晶体管，实现了良好的栅极静电调控与电流开关特性（开关比达 10⁴）。

        ④具备极佳的产业化扩展优势：该材料直接生长在蓝宝石（α-Al₂O₃）衬底上。蓝宝石不仅成本低廉、质量极高，且已具备超大尺寸（最大可达 640 mm）的工业化量产能力，彻底打破了传统巨带隙半导体（如金刚石和 c-BN）尺寸小、成本高昂且生长困难的产业化僵局。

        尽管简单，但这些说明性器件展示了肖特基二极管结构中的电流整流以及三端子晶体管几何结构中沟道的静电门控。据该团队所知，这些结果表明，在利用受控载流子传输和场效应调制实现有源电子器件行为方面，这些器件是具有最宽禁带宽度（E_g）的半导体。由于蓝宝石衬底的易得性，该团队的研究结果为开发基于 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 的 CBG 沟道功率和光电器件奠定了基础。本研究获得的见解揭示了当前器件实施的关键局限性，包括接触注入和接入电阻。这些挑战可以通过成熟的外延设计和制造策略来解决，包括组分梯度、优化的接触工程和改进的静电控制。预计在 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 体系内改进器件设计和带隙工程，将使垂直器件具有更大的击穿电压和更低的导通电阻。该团队预计，α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 的大且可调的 E_g 将用于可调深紫外光子学，而大的带隙偏移将使吸收和发射光子学能够利用子带间跃迁来提高工作频率。

图1 | α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 的基准测试。a. 精选金属和半导体中报告的最高电导率与带隙的函数关系比较。该团队 22 个 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜样品（A2-A8 和 A11-A25）的值用红色星号标出。虚线表示合金半导体电导率与带隙的拟合趋势。b，各种半导体导通电阻与击穿曲线的分析图。线条代表每种材料的恒定巴里加品质因数轮廓。多色箭头表示 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 合金覆盖的理论范围。c，一张图表展示了适用于各种半导体基板的最大直径合成晶体，每个圆心的位置对应着材料的带隙。

图2 | 生长态 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 的表征。a，样品 A1 的原始外延薄膜结构示意图。UID，非故意掺杂。b，样品 A1 的横截面 STEM 图像。各层和界面与 a 中的垂直对齐。比例尺，200 纳米。c，样品 A1 在 2θ=(50–70)° 范围内的 X 射线衍射(XRD)θ−2θ 扫描图。虚线标记了 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜层的 300 个反射峰。d，沿[1120]和[0001]方向的实部（ε₁）和虚部（ε₂）介电函数分量图。CPE，临界点能量。e，分别以蓝色和红色线条绘制了 N_D = 10¹⁶ cm⁻³ 和 N_D = 10¹⁹ cm⁻³ 时理论最大 µe 随 x 变化的图。带圆点的实线表示平行于(001)平面的电子迁移率，带三角标记的虚线表示垂直于(001)平面的电子迁移率。理论最大迁移率是通过考虑电离杂质、声子和合金散射的贡献来计算的。该团队 S-MBE 生长的 21 个 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜（样品 A2–A8、A11–A17、A19–A24 和 A27）的霍尔 µe 用星号符号绘制。所绘制的 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜中，大多数的 N_D 约为(2.3±0.3) × 10¹⁹ cm⁻³。f，样品 A27 的室温横向霍尔电阻（R_xy）作为磁通密度（B）的函数，它给出了二维移动载流子密度 n_2D。三维移动载流子密度 n_3D 是通过将 n_2D 除以沟道层的厚度 tchannel 来确定的。

图3 | AlphaDiode 的电气特性。a，完全制造好的 AlphaDiode 示意图。外延结构由图 2a 中的原始生长样品组成。b，如 a 中红线所示，接触下方器件垂直截面的能带图。b 中的红色实线和蓝色实线分别表示价带边缘（E_v）和导带边缘（E_c）的能量，灰色虚线表示整个器件中的费米能级（E_F）。垂直轴的零点对应沟道层的表面。c，直径为 20 微米的 AlphaDiode 的 I-V 特性。d，处理后的 AlphaDiodes 的光学显微镜图像。比例尺，50 微米。e，对直径为 60 微米的代表性 AlphaDiode 进行反向击穿测量。左下插图：扫描电子显微镜（SEM）图像，显示阳极与再生长接触层之间的最小间距。右上插图：击穿后的器件。

图4 | AlphaFET 的电学特性。a，AlphaFET 的横截面 STEM 图像。未标记的覆盖层是聚焦离子束铣削过程中的保护层。b，自上而下的扫描电子显微镜（SEM）图像展示了阿尔法场效应晶体管（AlphaFET）的城堡-“护城河”沟槽几何结构。c，室温输出曲线（I_d–V_ds），栅极电压 V_gs 从 0 V 到 6 V，步长为 1 V。d，在 10 V 至 50 V 的漏极电压范围内，以 10 V 为间隔，I_d 和栅极电流（I_g）、I_d-V_gs 和 I_g-V_gs 的室温转移曲线。e，通道层中间电子密度二维泊松模拟的一维横截面。虚线表示通道层的边界。f，沟道层中心横截面的能带图。CB，导带；VB，价带。g，温度依赖的 I_d–V_ds 输出曲线族。比例尺，1 µm（a），10 µm（b）。

DOI：

doi.org/10.1038/s41586-026-11085-3