A próxima geração de eletrônicos de potência com eficiência energética, sistemas de comunicação de alta frequência, e a iluminação de estado sólido depende de materiais conhecidos como semicondutores de gap largo. Os circuitos baseados nesses materiais podem operar em densidades de energia muito mais altas e com perdas de energia menores do que os circuitos baseados em silício. Esses materiais permitiram uma revolução na iluminação LED, que levou ao Prêmio Nobel de Física de 2014.

Em novos experimentos relatados em Cartas de Física Aplicada , pesquisadores demonstraram que um semicondutor de largo bandgap chamado óxido de gálio (Ga2O3) pode ser projetado em estruturas em escala nanométrica que permitem que os elétrons se movam muito mais rápido dentro da estrutura cristalina. Com elétrons que se movem com tanta facilidade, Ga2O3 pode ser um material promissor para aplicações como sistemas de comunicação de alta frequência e eletrônica de potência com eficiência energética.

"O óxido de gálio tem o potencial de habilitar transistores que ultrapassariam a tecnologia atual, "disse Siddharth Rajan da Ohio State University, quem liderou a pesquisa.

Como o Ga2O3 tem um dos maiores bandgaps (a energia necessária para excitar um elétron para que seja condutor) dos materiais de bandgap largos que estão sendo desenvolvidos como alternativas ao silício, é especialmente útil para dispositivos de alta potência e alta frequência. Também é único entre os semicondutores de bandgap largo, pois pode ser produzido diretamente a partir de sua forma fundida, que permite a fabricação em grande escala de cristais de alta qualidade.

Para uso em dispositivos eletrônicos, os elétrons no material devem ser capazes de se mover facilmente sob um campo elétrico, uma propriedade chamada de alta mobilidade de elétrons. "Esse é um parâmetro importante para qualquer dispositivo, "Rajan disse. Normalmente, para preencher um semicondutor com elétrons, o material é dopado com outros elementos. O problema, Contudo, é que os dopantes também espalham elétrons, limitar a mobilidade do elétron do material.

Para resolver este problema, os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como doping de modulação. A abordagem foi desenvolvida pela primeira vez em 1979 por Takashi Mimura para criar um transistor de alta mobilidade de elétrons de arsenieto de gálio, que ganhou o Prêmio Kyoto em 2017. Embora agora seja uma técnica comumente usada para alcançar alta mobilidade, sua aplicação ao Ga2O3 é algo novo.

Em seu trabalho, os pesquisadores criaram uma chamada heteroestrutura semicondutora, criando uma interface atomicamente perfeita entre Ga2O3 e sua liga com alumínio, óxido de alumínio e gálio - dois semicondutores com a mesma estrutura cristalina, mas diferentes lacunas de energia. Alguns nanômetros de distância da interface, incorporado dentro do óxido de alumínio e gálio, é uma folha de impurezas doadoras de elétrons com apenas alguns átomos de espessura. Os elétrons doados são transferidos para o Ga2O3, formando um gás de elétron 2-D. Mas, como os elétrons agora também estão separados dos dopantes (daí o termo dopagem de modulação) no óxido de alumínio e gálio por alguns nanômetros, eles se espalham muito menos e permanecem altamente móveis.

Usando esta técnica, os pesquisadores alcançaram mobilidades recordes. Os pesquisadores também foram capazes de observar as oscilações de Shubnikov-de Haas, um fenômeno quântico no qual o aumento da força de um campo magnético externo faz com que a resistência do material oscile. Essas oscilações confirmam a formação do gás de elétron 2-D de alta mobilidade e permitem aos pesquisadores medir as propriedades críticas do material.

Rajan explicou que tais estruturas dopadas por modulação podem levar a uma nova classe de estruturas quânticas e eletrônicas que aproveitam o potencial de Ga2O3.