Abstract Ultrawide‐bandgap (UWBG) semiconductors, with bandgaps significantly wider than the 3.4 eV of GaN, represent an exciting and challenging new area of research in semiconductor materials, physics, devices, and applications. Because many figures‐of‐merit for device performance scale nonlinearly with bandgap, these semiconductors have long been known to have compelling potential advantages over their narrower‐bandgap cousins in high‐power and RF electronics, as well as in deep‐UV optoelectronics, quantum information, and extreme‐environment applications. Only recently, however, have the UWBG semiconductor materials, such as high Al‐content AlGaN, diamond and Ga 2 O 3 , advanced in maturity to the point where realizing some of their tantalizing advantages is a relatively near‐term possibility. In this article, the materials, physics, device and application research opportunities and challenges for advancing their state of the art are surveyed.

Monolayer van der Waals (vdW) magnets provide an exciting opportunity for exploring two-dimensional (2D) magnetism for scientific and technological advances, but the intrinsic ferromagnetism has only been observed at low temperatures. Here, we report the observation of room temperature ferromagnetism in manganese selenide (MnSe$_x$) films grown by molecular beam epitaxy (MBE). Magnetic and structural characterization provides strong evidence that in the monolayer limit, the ferromagnetism originates from a vdW manganese diselenide (MnSe$_2$) monolayer, while for thicker films it could originate from a combination of vdW MnSe$_2$ and/or interfacial magnetism of $\alpha$-MnSe(111). Magnetization measurements of monolayer MnSe$_x$ films on GaSe and SnSe$_2$ epilayers show ferromagnetic ordering with large saturation magnetization of ~ 4 Bohr magnetons per Mn, which is consistent with density functional theory calculations predicting ferromagnetism in monolayer 1T-MnSe$_2$. Growing MnSe$_x$ films on GaSe up to high thickness (~ 40 nm) produces $\alpha$-MnSe(111), and an enhanced magnetic moment (~ 2x) compared to the monolayer MnSe$_x$ samples. Detailed structural characterization by scanning transmission electron microscopy (STEM), scanning tunneling microscopy (STM), and reflection high energy electron diffraction (RHEED) reveal an abrupt and clean interface between GaSe(0001) and $\alpha$-MnSe(111). In particular, the structure measured by STEM is consistent with the presence of a MnSe$_2$ monolayer at the interface. These results hold promise for potential applications in energy efficient information storage and processing.

We report on the fabrication and high-frequency characterization of AlGaN/GaN high-electron mobility transistors (HEMTs) grown by molecular beam epitaxy (MBE) and metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). In devices with a gate length of 160 nm, a record power density of 10.5 W/mm with 34% power added efficiency (PAE) has been measured at 40 GHz in MOCVD-grown HEMTs biased at V/sub DS/=30 V. Under similar bias conditions, more than 8.6 W/mm, with 32% PAE, were obtained on the MBE-grown sample. The dependence of output power, gain, and PAE on gate and drain voltages, and frequency have also been analyzed.

Solid state UV emitters have many advantages over conventional UV sources. The (Al,In,Ga)N material system is best suited to produce LEDs and laser diodes from 400 nm down to 210 nm—due to its large and tuneable direct band gap, n- and p-doping capability up to the largest bandgap material AlN and a growth and fabrication technology compatible with the current visible InGaN-based LED production. However AlGaN based UV-emitters still suffer from numerous challenges compared to their visible counterparts that become most obvious by consideration of their light output power, operation voltage and long term stability. Most of these challenges are related to the large bandgap of the materials. However, the development since the first realization of UV electroluminescence in the 1970s shows that an improvement in understanding and technology allows the performance of UV emitters to be pushed far beyond the current state. One example is the very recent realization of edge emitting laser diodes emitting in the UVC at 271.8 nm and in the UVB spectral range at 298 nm. This roadmap summarizes the current state of the art for the most important aspects of UV emitters, their challenges and provides an outlook for future developments.

Gallium Oxide has undergone rapid technological maturation over the last decade, pushing it to the forefront of ultra-wide band gap semiconductor technologies. Maximizing the potential for a new semiconductor system requires a concerted effort by the community to address technical barriers which limit performance. Due to the favorable intrinsic material properties of gallium oxide, namely, critical field strength, widely tunable conductivity, mobility, and melt-based bulk growth, the major targeted application space is power electronics where high performance is expected at low cost. This Roadmap presents the current state-of-the-art and future challenges in 15 different topics identified by a large number of people active within the gallium oxide research community. Addressing these challenges will enhance the state-of-the-art device performance and allow us to design efficient, high-power, commercially scalable microelectronic systems using the newest semiconductor platform.

In this work, we demonstrate a high mobility two-dimensional electron gas (2DEG) formed at the β-(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3 interface through modulation doping. Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations were observed in the modulation-doped β-(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3 structure, indicating a high-quality electron channel formed at the heterojunction interface. The formation of the 2DEG channel was further confirmed by the weak temperature dependence of the carrier density, and the peak low temperature mobility was found to be 2790 cm2/Vs, which is significantly higher than that achieved in bulk-doped Beta-phase Gallium Oxide (β-Ga2O3). The observed SdH oscillations allowed for the extraction of the electron effective mass in the (010) plane to be 0.313 ± 0.015 m0 and the quantum scattering time to be 0.33 ps at 3.5 K. The demonstrated modulation-doped β-(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3 structure lays the foundation for future exploration of quantum physical phenomena and semiconductor device technologies based on the β-Ga2O3 material system.

We report on the first demonstration of p-type doping in large area few-layer films of (0001)-oriented chemical vapor deposited MoS2. Niobium was found to act as an efficient acceptor up to relatively high density in MoS2 films. For a hole density of 3.1 × 1020 cm−3, Hall mobility of 8.5 cm2 V−1 s−1 was determined, which matches well with the theoretically expected values. X-ray diffraction scans and Raman characterization indicated that the film had good out-of-plane crystalline quality. Absorption measurements showed that the doped sample had similar characteristics to high-quality undoped samples, with a clear absorption edge at 1.8 eV. Scanning transmission electron microscope imaging showed ordered crystalline nature of the Nb-doped MoS2 layers stacked in the [0001] direction. This demonstration of substitutional p-doping in large area epitaxial MoS2 could help in realizing a wide variety of electrical and opto-electronic devices based on layered metal dichalcogenides.

Modulation-doped heterostructures are a key enabler for realizing high mobility and better scaling properties for high performance transistors. We report the realization of modulation-doped two-dimensional electron gas (2DEG) at beta(Al0.2Ga0.8)2O3/ Ga2O3 heterojunction using silicon delta doping. The formation of a 2DEG was confirmed using capacitance voltage measurements. A modulation-doped 2DEG channel was used to realize a modulation-doped field-effect transistor. The demonstration of modulation doping in the beta-(Al0.2Ga0.8)2O3/ Ga2O3 material system could enable heterojunction devices for high performance electronics.

Heterostructures and superlattices consisting of a prototype Mott insulator, GdTiO3, and the band insulator SrTiO3 are grown by molecular beam epitaxy and show intrinsic electronic reconstruction, approximately ½ electron per surface unit cell at each GdTiO3/SrTiO3 interface. The sheet carrier densities in all structures containing more than one unit cell of SrTiO3 are independent of layer thicknesses and growth sequences, indicating that the mobile carriers are in a high concentration, two-dimensional electron gas bound to the interface. These carrier densities closely meet the electrostatic requirements for compensating the fixed charge at these polar interfaces. Based on the experimental results, insights into interfacial band alignments, charge distribution, and the influence of different electrostatic boundary conditions are obtained.

In this report, we demonstrate high spectral responsivity (SR) in MBE grown epitaxial \b{eta}-Ga2O3-based solar blind MSM photodetectors (PD). (-2 0 1)-oriented \b{eta}-Ga2O3 thin film was grown by plasma-assisted MBE on c-plane sapphire substrates. MSM devices fabricated with Ni/Au contacts in an interdigitated geometry were found to exhibit peak SR > 1.5 A/W at 236-240 nm at a bias of 4 V with a UV to visible rejection ratio > 105. The devices exhibited very low dark current < 10 nA at 20 V and showed no persistent photoconductivity (PPC) as evident from the sharp transients with a photo-to-dark current ratio > 103. These results represent the state-of-art performance for MBE-grown \b{eta}-Ga2O3 MSM solar blind detector.