La prossima generazione di elettronica di potenza ad alta efficienza energetica, sistemi di comunicazione ad alta frequenza, e l'illuminazione a stato solido si basa su materiali noti come semiconduttori a banda proibita ampia. I circuiti basati su questi materiali possono funzionare a densità di potenza molto più elevate e con perdite di potenza inferiori rispetto ai circuiti a base di silicio. Questi materiali hanno consentito una rivoluzione nell'illuminazione a LED, che ha portato al Premio Nobel 2014 per la fisica.

In nuovi esperimenti riportati in Lettere di fisica applicata , i ricercatori hanno dimostrato che un semiconduttore a banda larga chiamato ossido di gallio (Ga2O3) può essere ingegnerizzato in strutture su scala nanometrica che consentono agli elettroni di muoversi molto più velocemente all'interno della struttura cristallina. Con gli elettroni che si muovono con tale facilità, Il Ga2O3 potrebbe essere un materiale promettente per applicazioni come i sistemi di comunicazione ad alta frequenza e l'elettronica di potenza ad alta efficienza energetica.

"L'ossido di gallio ha il potenziale per abilitare transistor che supererebbero la tecnologia attuale, " disse Siddharth Rajan della Ohio State University, che ha condotto la ricerca.

Poiché Ga2O3 ha uno dei più grandi bandgap (l'energia necessaria per eccitare un elettrone in modo che sia conduttivo) dei materiali a banda larga sviluppati come alternative al silicio, è particolarmente utile per dispositivi ad alta potenza e alta frequenza. È anche unico tra i semiconduttori a banda larga in quanto può essere prodotto direttamente dalla sua forma fusa, che consente la produzione su larga scala di cristalli di alta qualità.

Per l'uso in dispositivi elettronici, gli elettroni nel materiale devono potersi muovere facilmente sotto un campo elettrico, una proprietà chiamata elevata mobilità degli elettroni. "Questo è un parametro chiave per qualsiasi dispositivo, " ha detto Rajan. Normalmente, popolare un semiconduttore con elettroni, il materiale è drogato con altri elementi. Il problema, però, è che i droganti disperdono anche gli elettroni, limitando la mobilità elettronica del materiale.

Risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica nota come doping di modulazione. L'approccio è stato sviluppato per la prima volta nel 1979 da Takashi Mimura per creare un transistor ad alta mobilità ad arseniuro di gallio, che ha vinto il Premio Kyoto nel 2017. Sebbene ora sia una tecnica comunemente usata per ottenere un'elevata mobilità, la sua applicazione al Ga2O3 è qualcosa di nuovo.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno creato una cosiddetta eterostruttura a semiconduttore, creando un'interfaccia atomicamente perfetta tra Ga2O3 e la sua lega con l'alluminio, ossido di alluminio e gallio:due semiconduttori con la stessa struttura cristallina ma diversi gap energetici. A pochi nanometri dall'interfaccia, incorporato all'interno dell'ossido di gallio di alluminio, è un foglio di impurità donatori di elettroni dello spessore di pochi atomi. Gli elettroni donati si trasferiscono nel Ga2O3, formando un gas di elettroni 2-D. Ma poiché gli elettroni sono ora separati anche dai droganti (da cui il termine drogaggio di modulazione) nell'ossido di alluminio e gallio di pochi nanometri, si disperdono molto meno e rimangono molto mobili.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno raggiunto mobilità record. I ricercatori sono stati anche in grado di osservare le oscillazioni di Shubnikov-de Haas, un fenomeno quantistico in cui l'aumento della forza di un campo magnetico esterno fa oscillare la resistenza del materiale. Queste oscillazioni confermano la formazione del gas di elettroni 2-D ad alta mobilità e consentono ai ricercatori di misurare le proprietà critiche dei materiali.

Rajan ha spiegato che tali strutture drogate con modulazione potrebbero portare a una nuova classe di strutture quantistiche ed elettronica che sfrutta il potenziale di Ga2O3.