物理学：新型半导体——超导体结构具有通用的氮化镓！
SiC上外延NbNx的带隙，晶格常数，结晶度和超导性。a，选择氮化物半导体以及SiC的带隙与晶格常数。b，在具有AlN覆盖层的SiC衬底上生长的5nm NbNx的黑/白（左）和假色（右）的横截面HAADFSTEM图像。c，电阻与温度的关系（标准化为16K时的电阻），显示5nm（红色）和35nm（蓝色）的超导相变。图片来源：Nature（2018）。DOI：10.1038 / nature25768。
自从大约80年前首次观察和识别晶体管效应以来，硅一直是电子产品的首选半导体材料。毕竟，加利福尼亚州有一个山谷。但是一个相对较新的半导体系列 - III族氮化物，包括氮化镓（GaN），氮化铟和氮化铝 - 提供了比硅更多的多功能性，具有超高速无线通信，高压开关和高强度照明和光子学的能力。
由电子和计算机工程（ECE）教授Debdeep Jena和海军研究实验室宽带隙材料和器件部门负责人David Meyer领导的团队成功设计出一种半导体 - 超导体晶体结构，其特征在于GaN直接生长在氮化铌（NbN）晶体，是一种经过验证的超导体材料，用于量子通信，天文学和许多其他应用。
该组织的论文“GaN / NbN外延半导体/超导体异质结构”将于3月8日在线发表在“ 自然”杂志上。前博士后研究员Rusen Yan和现任博士后Guru Khalsa是共同的主要作者。
其他主要贡献者是Grace Xing，ECE和MSE的Richard Lundquist SesquicOtennial教授，以及应用和工程物理系Samuel B. Eckert工程教授David Muller。两种材料的组合方法 - 分子束外延（MBE），基本上在真空环境中将镓和氮原子喷涂到NbN上 - 创造了一个非常干净的界面，是新结构成功的关键。
该组织表示，这一进步开辟了一系列可能性，现在可以将超导体的宏观量子效应与III族氮化物半导体的丰富电子和光子特性结合起来。“人们已经尝试过其他半导体产品，如硅和砷化镓，但我认为没有任何东西能像我们用GaN做的那样成功，”耶拿说，他曾与该部门有双重任命。材料科学与工程（MSE）。
最近，氮化镓基半导体在LED照明，蓝光激光二极管，能源和通信领域取得了重大进展。事实上，2014年诺贝尔物理学奖授予三位日本科学家，他们发明了使用GaN的节能蓝色发光二极管（LED）。
技术进步 - 特别是在海军研究实验室开发的这项工作中使用的MBE类型 - 使科学家们能够思考半导体 - 超导体异质结构，例如耶拿集团开发的那种。
专用的氮化物MBE系统包括一个电子束蒸发器源，它“熔化”铌 - 熔点约为4500度 - 但不是坩埚。铌的原子沉积在碳化硅晶片和GaN上然后，通过MBE在其上生长半导体层。“这种新的来源使我们能够克服传统光源的温度限制，并将高熔点，难熔的过渡金属如铌和钽带入图片中，”迈耶说。
该团队首次展示了半导体晶体管开关的增长和制造，半导体晶体管开关是电子学中的原型增益元件，直接位于晶体超导体层之上。Jena说，这种异质结构是“两全其美”，提供了一种设计量子计算和高度安全通信系统的方法。
“有些事情我们喜欢用量子系统做 - 量子计算和密码学，这是传统系统中不可能实现的，”他说。“另一方面，有些东西经典系统比量子系统要好得多。而且有这个中间区，你可以通过混合和匹配两者来做很棒的事情。”“我们认为这为下一代通信和计算系统的快速技术开发提供了一个绝佳的机会，”迈耶说。
閱讀更多 山野泛舟遊 的文章
