氮化镓量子振荡新突破，赋能低温电子与量子计算

在半导体领域，氮化镓一直是备受关注的材料。近日，研究人员在氮化镓这种宽禁带半导体材料中实现了异常高的空穴迁移率，这一突破具有里程碑意义。以往，氮化镓主要用于固态照明和高性能射频电子器件。此次进展为探索 p 型掺杂、量子振荡现象开辟了全新路径，有望开创低温氮化镓互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的先河。研究团队在氮化镓 / 氮化铝（GaN/AlN）界面构建出了极化诱导的二维空穴气（2DHG）。

长期以来，氮化镓在电子器件中的应用受 p 型掺杂难题制约。电子传输已被充分理解和利用，但空穴传输因低效的掺杂技术和本征低迁移率而受限。近期在 p 型氮化镓中成功观测到量子振荡，标志着该领域取得重大飞跃。

研究团队设计的异质结构，利用 GaN/AlN 界面的本征电极化效应，诱导出高度局域化的二维空穴气。空穴分布在氮化镓的轻空穴带（LH）与重空穴带（HH）中。在约 2 K 的低温下，轻空穴迁移率高达 2000 cm²・V⁻¹・s⁻¹，重空穴迁移率约为 400 cm²・V⁻¹・s⁻¹。这些迁移率数值较以往有显著提升，为研究空穴动力学提供了实验平台。

舒布尼科夫–德哈斯振荡是探测电子结构的有力手段。在氮化镓二维空穴气中观测到该振荡，证明了异质结构的高质量，以及体系中空穴的高迁移率与相干性。轻空穴与重空穴振荡信号的清晰分辨，证实了能高精度实验表征氮化镓的价带结构。

这一突破对低温电子学，尤其是量子计算控制系统意义重大。氮化镓器件凭借宽禁带、优异热稳定性以及提升的空穴传输能力，可在极低温下高效工作，功耗更低、速度更快，这是传统硅基器件难以实现的。

GaN/AlN 异质结构展现了本征极化效应在半导体体系中的强大作用。与传统杂质掺杂不同，利用极化诱导电荷可形成极低无序度的二维空穴气，有望催生全新器件架构。

此外，在氮化镓中实现对两种不同空穴子带的分离与操控，为研究自旋–轨道相互作用与多体效应提供了机会，这些效应是自旋电子学与拓扑量子材料的基础。

该进展令人振奋的是，氮化镓与现有半导体工艺兼容，为将高迁移率空穴沟道与先进电子器件集成提供了可行路径，有望突破氮化镓基 CMOS 逻辑仅依赖电子传输的瓶颈。

从材料科学角度，该研究揭示了氮化物半导体中外延应变、极化电荷与价带结构之间的微妙相互作用，有助于精细设计未来人工异质结构的输运特性与量子行为。

从振荡数据中提取的量子散射时间，反映了空穴气的本征质量与主导散射机制，对量子器件应用至关重要。这一发现也激发了学界对宽禁带材料中空穴输运物理的基础研究兴趣。

展望未来，高迁移率 p 型氮化镓层可能革新功率电子器件，提升效率与开关速度，降低发热。结合氮化镓在恶劣环境下的优异稳定性，可构建高效、可靠的功率晶体管与集成电路。通过 GaN/AlN 界面的极化工程制备出支持量子振荡的高迁移率空穴气，为氮化镓中空穴物理的研究与应用打开了全新大门，有望对低温电子学、量子技术与先进半导体器件带来变革性影响。