【国际时事】氧化镓，正在跨越电子器件的温度边界

        “太空探测器需要面对巨大的温度波动，因此，像β-氧化镓这样能够在数开尔文到数百开尔文范围内稳定工作的器件，有望减少对笨重热防护系统的依赖。”—— KAUST研究团队

        在传统认知中，电子器件往往存在明确的“工作温度边界”。温度过高，器件会因漏电流增加而失效；温度过低，电子则会被“冻结”，无法自由运动。尤其是在深空探测与量子计算等极端环境下，电子系统通常不得不依赖复杂而庞大的热管理系统维持运行。

        但如今，一种超宽禁带半导体材料，正在重新定义这一边界。

        近日，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）研究团队宣布：基于β-氧化镓（β-Ga₂O₃）的电子器件，已成功在仅2 K的超低温环境下稳定工作。这个温度甚至低于大多数深空环境，也接近量子计算系统的典型工作温区。

        这意味着，氧化镓不仅能“耐高温”，还首次展现出跨越极端低温环境的电子应用潜力。

        计算机芯片、传感器以及各类电子系统，本质上都依赖半导体导电。

        半导体内部存在一个“带隙（Band Gap）”，电子必须获得足够能量，才能跨越这一障碍并形成电流。然而，当温度持续下降时，电子热运动减弱，最终会被束缚在原子附近，无法参与导电。

        这一现象被称为“冻结效应（Freeze-out）”。

        KAUST研究团队成员、李晓航（Xiaohang Li）课题组前博士生 Vishal Khandelwal 表示：“实际上，大多数传统电子器件在低于约100 K（−173°C）时就会开始失效。”

        但现实问题在于——很多前沿技术，恰恰需要极低温环境。

        例如量子计算机通常工作在4 K附近；深空探测器则需要经历远超地球环境的剧烈温度波动。因此，目前相关系统不得不额外配置复杂的低温控制与热保护装置，这不仅增加了成本，也显著提升了系统体积与复杂度。

        长期以来，β-氧化镓最广为人知的标签，是“耐高压”“耐高温”。

        作为超宽禁带半导体，其临界击穿场强远高于传统硅材料，同时具备更低的漏电流特性。此前，KAUST团队已经证明，氧化镓器件能够在500°C高温环境下稳定运行，并展现出优异的抗辐照能力。

        而这一次，他们进一步把研究方向推向了另一个极端——超低温。

        研究人员构建了两种基于硅掺杂β-Ga₂O₃的器件：

        ●一种是鳍式场效应晶体管（FinFET）

        ●另一种则是逻辑反相器（Inverter / NOT Gate）

        其中，FinFET采用鳍状沟道结构，相比传统晶体管具有更好的稳定性与电学性能；而反相器则是数字电路中最基础的逻辑单元之一。

        最终，两种器件均在2 K环境下实现了稳定工作。

        正常情况下，在2 K这样的超低温中，几乎不存在足够的热能帮助电子跃迁进入导带。

        但在这项研究中，硅掺杂带来了新的导电机制。

        研究团队解释称，硅原子在β-Ga₂O₃内部形成了一种特殊的“杂质带（Impurity Band）”。在极低温环境下，电子无需依赖传统热激发，而是能够通过这些杂质能级之间进行“跳跃传输（Hopping Transport）”，从而维持电流导通。

        也就是说：在其他半导体已经“冻结”的时候，氧化镓中的电子依然能够找到“另一条路”继续运动。

        虽然此前已有器件实现过2 K运行，但这是首次利用超宽禁带半导体，在如此低温条件下完成晶体管与逻辑反相器的构建。

        这一成果的重要性并不仅仅在于“能工作”。

        更关键的是，它意味着未来有机会基于单一材料平台，构建完整的低温电子系统。

        李晓航表示：“从实际意义上来说，这意味着未来可以开发基于单一材料的紧凑型低温电路。”

        对于量子计算而言，这有望简化低温电子系统架构；而对于航天领域，其意义可能更加直接。

        “太空探测器需要承受巨大的温度变化，因此，像β-氧化镓这样能够在数开尔文到数百开尔文范围内工作的器件，有望减少对大型热防护系统的依赖。”

        接下来，研究团队计划进一步利用β-氧化镓开发更多器件，包括射频晶体管、光电探测器以及存储单元等。

        “我们已经证明了基础器件的可行性，” 李晓航表示，“下一步将是把这些器件进一步扩展为复杂的低温芯片系统，并继续探索这种超低温工作环境下的性能极限。”