氧化镓（Ga₂O₃）是一种半导体材料，可以使电子设备比目前的硅基技术更加节能。电子二极管需要两种类型的半导体层才能正常工作：负型（n型）层和正型（p型）层。

科学家们能够可靠地生产n型氧化镓层，但难以制造稳定的p型层，因为氧化镓的晶体结构会自然地抵抗这些层所需的原子。这种限制导致氧化镓半导体性能不佳且可靠性低下。

图片来源： 名古屋大学

据外媒报道，日本名古屋大学（Nagoya University）的研究人员解决了这一制造难题，并利用氧化镓制造出首个功能性pn型二极管。相关研究论文发表在《Journal of Applied Physics》上，该方法使得利用氧化镓改进半导体和节能设备成为可能。此外，这些新型pn型二极管的载流量是之前氧化镓二极管的两倍。

Pn二极管由p型和n型半导体材料连接而成，从而形成一个控制电流的连接点。这些二极管能够承受高电压，广泛应用于大多数电子产品中。然而，目前的硅基pn二极管会将大量能量转化为热量，尤其是在电动汽车和可再生能源电网等能源密集型应用中。

氧化镓pn二极管的电流容量是之前氧化镓器件的两倍，而且比硅基二极管的能耗更低。这使得它们成为高要求应用的理想选择，并有助于降低冷却要求、提高大功率系统的能效以及降低运营成本。

问题在于，氧化镓的晶体结构很容易接受形成n型层所需的原子，但却排斥p型层所需的原子。之前的方法要么失败，要么需要高温来破坏材料。由于两种原子不能协同作用，氧化镓的实际应用仍然受到限制。

为了解决这个问题，研究人员通过将单个原子高速射入材料表面，将镍原子注入氧化镓层。然后，他们对材料进行两次加热：首先在300°C下使用活化氧自由基（使用专有等离子处理技术获得额外能量的氧原子），然后在950°C下在氧气中加热。这将嵌入的镍转化为氧化镍，并将其与氧化镓晶体结构完美地结合在一起。

“由于该方法采用标准工业设备和工艺，因此可以扩大规模实现量产，”名古屋大学低温等离子体科学中心的Masaru Hori教授强调道。“这将对未来的能源效率和成本产生重大影响，尤其对电动汽车和可再生能源行业而言。”

预计到2035年，氧化镓半导体市场规模将达到每年149亿日元。这种新的制造工艺解决了此前限制其工业应用的一个根本问题。