问题——长期以来，氮化镓因能高电压、高温、高频等苛刻条件下保持稳定，成为宽禁带半导体的代表材料，已广泛用于发光二极管、射频器件和功率电子等领域。但与出色的电子输运相比，氮化镓中的“空穴”输运能力较弱、调控更困难，限制了器件在更高效率、更低损耗和更复杂功能集成上的继续提升。要继续释放氮化镓的应用潜力，关键在于看清并理解空穴在材料中的真实运动规律。 原因——研究团队指出，空穴研究的难点主要有两上：一是空穴迁移率偏低，信号更容易被晶体缺陷、杂质散射和界面粗糙等因素掩盖；二是要直接获取价带结构信息，需要在高质量样品基础上，在强磁场、低温等条件下开展高精度电学测量。本次研究聚焦氮化镓与氮化铝交界处形成的二维空穴气体体系。团队制备了晶格质量接近理想、缺陷密度极低的样品，显著提高空穴迁移率，为捕捉细微的量子振荡信号打下基础；同时依托高磁场脉冲设施以及可在约2开尔文下稳定工作的电学接触技术，使空穴在磁场中出现清晰可辨的量子振荡，从而实现对价带结构的“电学成像”。 影响——量子振荡是研究费米面与能带结构的重要实验手段。在该体系中观测到空穴量子振荡，意味着研究人员能够从实验中提取空穴有效质量等关键参数，并进一步区分氮化镓价带中不同空穴分支的差异。研究的一个重要结果，是更清楚地区分了迁移更快的轻空穴与相对迟缓的重空穴，为解释氮化镓空穴输运受限的物理机制提供了直接证据。业内人士认为，这类可测量、可对照的数据不仅能补全宽禁带半导体的基础物理图景，也为器件结构设计提供可量化的材料参数支撑，推动工程研发从“经验试错”转向“可计算、可验证”。 对策——在应用层面，若要推动氮化镓器件继续向更高功率密度、更高效率和更高可靠性发展，提高空穴迁移率与空穴注入效率仍是关键。本次研究提示未来可并行推进两条路径：其一，增强外延与界面质量，降低缺陷与散射，让二维空穴气体更“干净”，从而提升输运能力与可调控性；其二，开展更精细的价带工程设计，例如通过异质结构、应变调控与掺杂策略优化空穴能带与有效质量分布，增强轻空穴贡献、减弱重空穴影响。研究团队也表示，将在现有基础上继续探索提升氮化镓空穴迁移率的可能性，并尝试在器件层面更好结合宽禁带材料的耐高压优势与传统硅基器件的电荷传输能力。 前景——从更长周期看，空穴量子振荡的首次观测为宽禁带半导体的量子输运研究打开了新窗口。随着材料生长、低温测量和强磁场实验条件的进步，此方法有望推广到更多宽禁带体系，用于验证并发现高能隙材料中的新量子现象。对产业而言，若能基于更清晰的价带结构认知改进晶体管与功率器件设计，氮化镓有望在新能源汽车电驱与充电、数据中心电源、卫星通信与雷达射频前端等场景进一步提升能效，并带动下一代高性能电力电子与高频电子技术路线的迭代。
从“能用”到“用得更好”，关键在于把材料内部电荷行为看得更清、控得更准。此次对氮化镓空穴量子振荡的首次观测，说明了基础研究对工程性能边界的持续推动。随着对空穴此短板的认识深化、调控手段完善，宽禁带半导体有望在更广阔的应用场景实现性能提升，也为对应的领域的自主创新与产业升级提供新的科学支点。