看今朝！基于多功能氮化镓的新型半导体

碳化硅外延NbNx的能带隙，晶格常数，结晶度和超导性。图a：选择氮化物半导体以及SiC的带隙和晶格常数。图b:在具有AlN覆盖层的SiC衬底上生长的5nm NbNx的黑/白（左图）和伪色（右）的横截面HAADF图像。图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：《自然》杂志（2018）。 DOI：10.1038 / nature25768

      自从晶体管效应在近80年前被首次发现以来，硅一直是电子产品的首选半导体材料。毕竟，加利福尼亚州还有一个山谷以此命名。

      但是一个相对较新的半导体系列:包括氮化镓（GaN），氮化铟和氮化铝在内的III族氮化物，比具有超快无线通信，高压开关和高亮度照明和光子学功能的硅具有更强的通用性。

      最近，由电子与计算机工程（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领导的一个小组已经成功设计了一种半导体—超导体晶体结构，其是经氮化镓GaN直接生长到氮化铌晶体（NbN）上，是已经经过验证的可用于量子通信、天文学和其他许多应用的超导材料。

      该团队的论文《GaN / NbN外延半导体/超导体异质结构》将于3月8日在线发布在Nature上。前博士后研究员汝恩严（音译）和现任博士后古鲁卡尔萨（音译）是主要合作作者。其他主要作者分别是是欧洲经济委员会和MSE的Richard Lundquist Sesquicentennial教授Grace Xing以及应用和工程物理系Samuel B. Eckert工程教授David Muller。

      新型结构成功的关键在于，将两种材料的分子束外延（MBE），采用在真空环境中基本上将镓和氮原子喷涂到NbN上的方法，保证了界面的清洁。

      该研究团队表示，这一突破将开辟了一系列的可能性，现在就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性质相结合。

      “虽然已经有研究人员尝试过使用硅和砷化镓等其他半导体，但我认为任一个结果都没有像我们用GaN做的那样成功，”材料科学与工程（MSE）的Jena说。

      最近氮化镓基半导体在LED照明、蓝光激光二极管、能源和通信领域都取得了重大进展。事实上，2014年获得诺贝尔物理学奖的三位日本科学家，便归功于他们发明的使用GaN的节能蓝光发光二极管（LED）。

      这次在技术上有很大的进步，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，使科学家们能够获得像Jena小组所开发的那样的半导体 - 超导体异质结构。

      专门的氮化物MBE系统包括一个电子束蒸发源，可以熔融熔点约为4500℃的铌，当然不包含坩埚。铌原子沉积在碳化硅晶圆上，GaN 然后通过MBE系统在其顶部生长半导体层。

      “这个新来源克服了常规来源的温度限制，并将高熔点、难处理的过渡金属如铌和钽放入图中，”Meyer说。

      该团队首次展示了半导体晶体管开关的增长和制造方法，作为是电子学中原型增益元件，这种开关可以直接置于结晶超导体层的顶部。Jena说，这种异质结构可谓是“两全其美”，它还提供了一种设计量子计算和高度安全的通信系统的方法。

      Jean还补充到，我们希望量子系统包括量子计算和密码学，但这些在经典系统中是不可能的；另一方面，经典系统比量子系统好得多，而且有这个中间带，你可以通过混合和匹配两者更好地完成这件事情。

      Meyer认为，这必将为下一代通信和计算系统的快速技术开发提供了绝佳的机会。

文章来自techxplore网站，原文题目为Novel semiconductor-superconductor structure features versatile gallium nitride，由材料科技在线汇总整理。