在超宽带隧垒半导体 $\mathrm{\beta}$-Ga$_2$O$_3$ 上揭示二维电子体系

超宽带隧垒（UWBG）半导体有望彻底变革电力电子器件，但其界面电子结构的基本认识一直受限于缺乏直接实验观测。本文报道了首次在UWBG材料上观察到二维电子体系的动量分辨率特征，借助角分辨率光电子能谱（ARPES）对高纯度 $\mathrm{\beta}$-Ga$_2$O$_3$ 单晶进行表征。碱金属诱导的电子掺杂形成各向同性的圆形费米面，实现了载流子密度最高可达 $1.0\times10^{14}$ $\mathrm{cm}^{-2}$。自洽的泊松-薛定谔计算显示，电子局限于表面附近1.2 nm 的范围内，并揭示了 $18$ MV cm$^{-1}$ 的内部电场。重要的是，我们的测量结果显示电子能带结构出现显著的重整合：一系列载流子密度相关的ARPES测量表明，随着载流子密度从 $2\times10^{13}$ 增至 $1.0\times10^{14}$ $\mathrm{cm}^{-2}$，有效质量异常性地增加，几乎翻倍至最终值为 $0.48 \textit{m}_{\mathrm{e}}$。这一趋势与其他氧化物半导体的报告结果截然不同，指向 $\mathrm{\beta}$-Ga$_2$O$_3$ 特有的重整合机制。我们的发现确立了 $\mathrm{\beta}$-Ga$_2$O$_3$ 的界面电子结构，表明UWBG材料为探索载流子密度驱动的电子现象提供了肥沃的土壤，为未来的量子器件和电力器件开辟了新的应用方向。