La próxima generación de electrónica de potencia de bajo consumo, sistemas de comunicación de alta frecuencia, y la iluminación de estado sólido se basan en materiales conocidos como semiconductores de banda ancha. Los circuitos basados ​​en estos materiales pueden operar a densidades de potencia mucho más altas y con menores pérdidas de potencia que los circuitos basados ​​en silicio. Estos materiales han permitido una revolución en la iluminación LED, lo que llevó al Premio Nobel de Física 2014.

En nuevos experimentos informados en Letras de física aplicada , Los investigadores han demostrado que un semiconductor de banda ancha llamado óxido de galio (Ga2O3) se puede diseñar en estructuras a escala nanométrica que permiten que los electrones se muevan mucho más rápido dentro de la estructura cristalina. Con electrones que se mueven con tanta facilidad, Ga2O3 podría ser un material prometedor para aplicaciones como sistemas de comunicación de alta frecuencia y electrónica de potencia de bajo consumo.

"El óxido de galio tiene el potencial de habilitar transistores que superarían la tecnología actual, "dijo Siddharth Rajan de la Universidad Estatal de Ohio, quien dirigió la investigación.

Debido a que Ga2O3 tiene uno de los bandgaps más grandes (la energía necesaria para excitar un electrón de modo que sea conductor) de los materiales de bandgap ancho que se están desarrollando como alternativas al silicio, es especialmente útil para dispositivos de alta potencia y alta frecuencia. También es único entre los semiconductores de banda ancha ancha porque se puede producir directamente a partir de su forma fundida. que permite la fabricación a gran escala de cristales de alta calidad.

Para uso en dispositivos electrónicos, los electrones en el material deben poder moverse fácilmente bajo un campo eléctrico, una propiedad llamada alta movilidad de electrones. "Ese es un parámetro clave para cualquier dispositivo, "Dijo Rajan. Normalmente, para poblar un semiconductor con electrones, el material está dopado con otros elementos. El problema, sin embargo, es que los dopantes también dispersan electrones, limitando la movilidad de electrones del material.

Para resolver este problema, los investigadores utilizaron una técnica conocida como dopaje por modulación. El enfoque fue desarrollado por primera vez en 1979 por Takashi Mimura para crear un transistor de alta movilidad de electrones de arseniuro de galio, que ganó el Premio de Kioto en 2017. Si bien ahora es una técnica de uso común para lograr una alta movilidad, su aplicación a Ga2O3 es algo nuevo.

En su trabajo, los investigadores crearon una heteroestructura de semiconductores, creando una interfaz atómicamente perfecta entre Ga2O3 y su aleación con aluminio, óxido de aluminio y galio:dos semiconductores con la misma estructura cristalina pero diferentes espacios de energía. A unos nanómetros de la interfaz, incrustado dentro del óxido de aluminio y galio, es una hoja de impurezas donadoras de electrones de solo unos pocos átomos de espesor. Los electrones donados se transfieren al Ga2O3, formando un gas de electrones 2-D. Pero debido a que los electrones ahora también están separados de los dopantes (de ahí el término dopaje por modulación) en el óxido de aluminio y galio en unos pocos nanómetros, se dispersan mucho menos y siguen siendo muy móviles.

Usando esta técnica, los investigadores alcanzaron movilidades récord. Los investigadores también pudieron observar las oscilaciones de Shubnikov-de Haas, un fenómeno cuántico en el que el aumento de la fuerza de un campo magnético externo hace que la resistencia del material oscile. Estas oscilaciones confirman la formación del gas de electrones 2-D de alta movilidad y permiten a los investigadores medir las propiedades críticas del material.

Rajan explicó que tales estructuras dopadas con modulación podrían conducir a una nueva clase de estructuras cuánticas y electrónica que aproveche el potencial de Ga2O3.