美國康奈爾大學聯合海軍實驗室實現半導體-超導體異質結，集兩者之優勢，為量子計算等開啟新機遇

近日，由美國康奈爾大學電子和計算機工程（ECE）的專家Debdeep Jena和海軍研究實驗室寬禁帶材料和器件分部部門主任David Meyer領導的研究團隊，成功研發出一種半導體-超導體異質結結構，在氮化鈮（NbN）晶體上實現了氮化鎵（GaN）的直接生長，NbN是已在量子通信、天文學和其他應用中得到證實的超導材料。研究成果以《GaN/NbN外延半導體/超導體異質結》為名發表在《自然》雜誌上。

研究背景

幾乎自80年前晶體管效應被首次發現和確定之日起，硅就成為電子行業的支柱性半導體材料。但新出現的半導體家族——Ⅲ-Ⅴ族材料，包括GaN、氮化銦和氮化鋁，能夠提供比硅更好的遷移率，具備用於超快速無線通信、高壓開關和高密度照明和光電子領域的巨大前景。基於GaN的半導體近年在LED照明、藍光發光二極體、能源和通信領域等領域實現重大進展。如2014年諾貝爾物理學獎頒發給了日本三位物理學家，表彰其使用GaN發明了高能效藍光LED。

技術突破

研究人員將兩種材料集合在一起的核心是分子束外延（MBE）。研究人員在真空環境下將鎵和氮原子噴塗到NbN上，產生了極其整潔的界面，是全新結構成功的關鍵。專用氮化物MBE系統包括一個能夠熔化鈮的電子束蒸發源，熔點溫度大約在4500度。鈮原子層沉積在SiC晶圓上，然後在其上通過MBE生長出GaN半導體層。

圖為SiC上NbNx外延層的帶隙、晶格常數、結晶度和超導電性。

a.SiC和所選氮半導體的帶隙Vs晶格常數

b.生長在SiC襯底上並帶有AlN塗覆層的5nm NbNx的橫截面圖

c.電阻和溫度曲線，顯示在5nm（紅色）和35nm（藍色）有超導相變

重要價值

研究團隊首次證實了可直接在超導層晶體上生長和製造半導體晶體管開關的可能性，實現了半導體-超導體異質結。Jena說：「人們使用硅和砷化鎵等其他半導體材料進行了嘗試，但我認為並未成功取得我們在GaN上得到的研究成果。」

此次研究中所用的MBE由海軍研究實驗室研發。Meyer說：「該新的電子束蒸發源使我們得以克服傳統源的溫度限制，並且將高熔點、鈮和鉭等難熔過渡金屬帶入應用。」

潛在應用

研究團隊表示，此次進展將超導體的宏觀量子效應和氮化物半導體族材料的豐富電子和光電特性結合在一起，開啟了一系列可能性。Jena說，該異質結集兩種材料的優勢於一體，提供了研發量子計算和高度安全通信系統的一種方法。

Meyer說：「對於量子系統，我們可以實現量子計算和編碼，以及在傳統系統中不可能完成的事情。傳統系統也有自身的優勢，在部分領域要遠好於量子系統。而我們在其中間地帶通過混合和匹配實現了美妙的事情。我們認為此次進展為下一代通信和計算系統的快速技術發展提供極好的機會。」

資金和設施支持

該研究成果的測量是在國家科學基金會（NSF）支持下，在康奈爾大學材料研究共享設施中心展開。異質結的製造也是在NSF的支持下，在康奈爾大學納米級科學和技術設施展開。海軍研究辦公室也提供額外的支持。

參考文獻

Rusen Yan et al. GaN/NbN epitaxial semiconductor/superconductor heterostructures,

Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25768

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