2026年3月23日——氮化镓作为一种能在高电压、高温和高频率下工作的半导体材料，已广泛应用于从LED照明到大功率电子器件等领域。如今，康奈尔大学研究人员首次观测到该材料的量子特性，这一突破有望拓展其技术应用边界。

氮化镓的半导体价值很大程度上取决于带负电电子在材料中的高速迁移能力。但若科学家能更深入理解其带正电“空穴”的行为（这些空穴如同可移动的电子缺失区域，但一直难以研究），该材料将更具应用潜力。若能像硅半导体那样实现对空穴流动的控制，氮化镓将充分发挥其性能极限。

在3月23日发表于《自然·电子学》的新研究中，该团队报告了在氮化镓/氮化铝界面处首次观测到被限制在二维空穴气中的空穴量子振荡现象。这些振荡作为电子结构的探针，揭示了有效质量等关键材料特性。

“研究成功的关键在于我们能够生长出晶格近乎完美、缺陷极少的优质晶体，”论文第一作者、康奈尔大学达菲尔德工程学院Jena-Xing实验室博士生常川表示，“这种高质量材料产生了创纪录的空穴迁移率，使得量子振荡现象得以显现。”

研究人员还借助洛斯阿拉莫斯国家实验室脉冲磁场设施提供的超高强度脉冲磁场，并开发出能在低至2开尔文的极低温环境中稳定工作的电接触技术。

通过这些技术手段，该团队获得了氮化镓价带结构的直接观测数据，揭示了移动较快的轻空穴与移动较慢的重空穴等关键特性。

“尽管氮化镓研究已开展半个世纪，但直到现在我们才首次观测到其中的空穴量子振荡，”实验室联合主任、William L. Quackenbush教授胡漓丽·格蕾丝·邢表示。她与David E. Burr教授德布迪普·杰纳共同领导这项研究，两位教授均任职于材料科学与工程学院及电气与计算机工程系。“这使我们能够理解输运现象、质量、能带结构等对器件工程设计至关重要的参数。”

基础科学与工程的融合

量子振荡的观测建立在Jena-Xing实验室近年多项研究基础上，包括首次发现二维空穴气和轻空穴，以及测量空穴迁移速度等。这一系列研究体现了该实验室将基础物理研究与器件工程并重的独特理念。

“在小型研究团队中同时开展基础研究和技术开发并不常见，”杰纳教授指出，“这正是我们的优势所在，也是工作的鲜明特色。”

该团队计划运用新发现的知识，设计兼具宽禁带材料优势与硅电荷传输能力的半导体器件。

“我们希望探索能否进一步提升氮化镓中空穴的迁移率，”应用与工程物理系博士生、论文合著者约瑟夫·迪尔表示，“在掌握有效质量和能带结构特征后，这正是我们下一步的研究方向。”

除改进晶体管设计外，该研究还为探索宽禁带半导体中的量子现象开辟了新途径。“这是首次在氮化镓空穴体系中完成此类实验，”常川说，“我们将这种材料引入了此前无法实现的量子振荡研究领域。”

该研究获得高效节能材料与器件中心、国防高级研究计划局资助的半导体研究公司、美国国家科学基金会、能源部及陆军研究办公室的支持。