物理學：新型半導體——超導體結構具有通用的氮化鎵！
SiC上外延NbNx的帶隙，晶格常數，結晶度和超導性。a，選擇氮化物半導體以及SiC的帶隙與晶格常數。b，在具有AlN覆蓋層的SiC襯底上生長的5nm NbNx的黑/白（左）和假色（右）的橫截面HAADFSTEM圖像。c，電阻與溫度的關係（標準化為16K時的電阻），顯示5nm（紅色）和35nm（藍色）的超導相變。圖片來源：Nature（2018）。DOI：10.1038 / nature25768。
自從大約80年前首次觀察和識別晶體管效應以來，硅一直是電子產品的首選半導體材料。畢竟，加利福尼亞州有一個山谷。但是一個相對較新的半導體系列 - III族氮化物，包括氮化鎵（GaN），氮化銦和氮化鋁 - 提供了比硅更多的多功能性，具有超高速無線通信，高壓開關和高強度照明和光子學的能力。
由電子和計算機工程（ECE）教授Debdeep Jena和海軍研究實驗室寬帶隙材料和器件部門負責人David Meyer領導的團隊成功設計出一種半導體 - 超導體晶體結構，其特徵在於GaN直接生長在氮化鈮（NbN）晶體，是一種經過驗證的超導體材料，用於量子通信，天文學和許多其他應用。
該組織的論文“GaN / NbN外延半導體/超導體異質結構”將於3月8日在線發表在“ 自然”雜誌上。前博士後研究員Rusen Yan和現任博士後Guru Khalsa是共同的主要作者。
其他主要貢獻者是Grace Xing，ECE和MSE的Richard Lundquist SesquicOtennial教授，以及應用和工程物理系Samuel B. Eckert工程教授David Muller。兩種材料的組合方法 - 分子束外延（MBE），基本上在真空環境中將鎵和氮原子噴塗到NbN上 - 創造了一個非常乾淨的界面，是新結構成功的關鍵。
該組織表示，這一進步開闢了一系列可能性，現在可以將超導體的宏觀量子效應與III族氮化物半導體的豐富電子和光子特性結合起來。“人們已經嘗試過其他半導體產品，如硅和砷化鎵，但我認為沒有任何東西能像我們用GaN做的那樣成功，”耶拿說，他曾與該部門有雙重任命。材料科學與工程（MSE）。
最近，氮化鎵基半導體在LED照明，藍光激光二極管，能源和通信領域取得了重大進展。事實上，2014年諾貝爾物理學獎授予三位日本科學家，他們發明了使用GaN的節能藍色發光二極管（LED）。
技術進步 - 特別是在海軍研究實驗室開發的這項工作中使用的MBE類型 - 使科學家們能夠思考半導體 - 超導體異質結構，例如耶拿集團開發的那種。
專用的氮化物MBE系統包括一個電子束蒸發器源，它“熔化”鈮 - 熔點約為4500度 - 但不是坩堝。鈮的原子沉積在碳化硅晶片和GaN上然後，通過MBE在其上生長半導體層。“這種新的來源使我們能夠克服傳統光源的溫度限制，並將高熔點，難熔的過渡金屬如鈮和鉭帶入圖片中，”邁耶說。
該團隊首次展示了半導體晶體管開關的增長和製造，半導體晶體管開關是電子學中的原型增益元件，直接位於晶體超導體層之上。Jena說，這種異質結構是“兩全其美”，提供了一種設計量子計算和高度安全通信系統的方法。
“有些事情我們喜歡用量子系統做 - 量子計算和密碼學，這是傳統系統中不可能實現的，”他說。“另一方面，有些東西經典系統比量子系統要好得多。而且有這個中間區，你可以通過混合和匹配兩者來做很棒的事情。”“我們認為這為下一代通信和計算系統的快速技術開發提供了一個絕佳的機會，”邁耶說。
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