绝缘氧化物是不导电的含氧化合物，但是当它们精确地层叠在一起时可以形成导电界面。在界面处的导电电子形成二维电子气（2DEG），其拥有奇异的量子特性，使得该系统有望用于电子学和光子学应用。耶鲁大学已经在砷化镓上生长出二维电子气系统，砷化镓是一种能高效吸收光和辐射光的半导体。该技术有望用于与光相互作用的新型电子器件，如新型晶体管、超导开关和气体传感器。

以色列理工大学的利奥·科恩布卢姆说：“我认为这是氧化物电子学的一个基石。”研究成果发表在《应用物理》杂志。氧化物二维电子气系统于2004年发现。研究人员惊奇地发现，利用两层绝缘氧化物形成的三明治结构可产生导电电子，绝缘氧化物界面附近的导电电子如同气体或者液体一样，可以传输信息。此前，研究人员曾在半导体中观察到二维电子气，但是氧化物二维电子气具有更高的电子密度，使得其有望用于部分电子应用。氧化物二维电子气具有有趣的量子特性，同时也吸引了对氧化物二维电子气基本属性的研究。例如，氧化物二维电子气系统似乎表现出磁性行为和超导性的组合。

科恩布卢姆认为，通常，量产氧化物二维电子气是困难的，因为仅能获得一小片所需的氧化物二维电子气。然而，如果在大尺寸、商业可用的半导体晶圆上生长出氧化物，那么研究人员可以扩大氧化物二维电子气的真实应用范围。在半导体上生长氧化物二维电子气还能使这些结构更好地与传统电子器件集成。氧化物电子与半导体中的电子相互作用，可以导致新功能和更多器件类型出现。此前，耶鲁大学在硅晶圆上生长出氧化物二维电子气。在此次工作中，耶鲁大学成功在砷化镓上生长出氧化物二维电子气，这是非常具有挑战性的。大部分半导体与空气中的氧气发生反应，并形成无序表面层，在半导体上生长氧化物之前必须清除表面层。移除硅上的表面层相当容易，然而这种方法对砷化镓并不起作用。

研究团队在砷化镓表面涂覆了一层砷烯。当把晶圆转移至仪器上，使用分子束外延生长氧化物时，砷烯可保护半导体的表面不与空气中的氧气发生反应。这使得一种材料生长在另一种材料时，仍能在界面处保持有序晶体结构。

下一步，研究人员将微加热晶圆，使砷烯薄层蒸发，露出下方的原始半导体表面。然后，在砷化镓晶圆上生长钛酸锶氧化物之后，立刻在钛酸锶氧化物上生长一层钛酸钆氧化物。该过程在两层氧化物之间形成二维电子气。

砷化镓属于III-V族半导体材料，这项工作开辟了将氧化物二维电子气与其他材料集成的新途径。科恩布卢姆说：“将这些有趣的氧化物二维电子气与砷化镓耦合或者集成，为从半导体电学性质和光学性质受益的器件开辟了道路。”

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