GaN|美国康奈尔大学联合海军实验室实现半导体-超导体异质结，集两者之优势，为量子计算等开启新机遇

近日，由美国康奈尔大学电子和计算机工程（ECE）的专家Debdeep Jena和海军研究实验室宽禁带材料和器件分部部门主任David Meyer领导的研究团队，成功研发出一种半导体-超导体异质结结构，在氮化铌（NbN）晶体上实现了氮化镓（GaN）的直接生长，NbN是已在量子通信、天文学和其他应用中得到证实的超导材料。研究成果以《GaN/NbN外延半导体/超导体异质结》为名发表在《自然》杂志上。

几乎自80年前晶体管效应被首次发现和确定之日起，硅就成为电子行业的支柱性半导体材料。但新出现的半导体家族——Ⅲ-Ⅴ族材料，包括GaN、氮化铟和氮化铝，能够提供比硅更好的迁移率，具备用于超快速无线通信、高压开关和高密度照明和光电子领域的巨大前景。基于GaN的半导体近年在LED照明、蓝光发光二极管、能源和通信领域等领域实现重大进展。如2014年诺贝尔物理学奖颁发给了日本三位物理学家，表彰其使用GaN发明了高能效蓝光LED。

研究人员将两种材料集合在一起的核心是分子束外延（MBE）。研究人员在真空环境下将镓和氮原子喷涂到NbN上，产生了极其整洁的界面，是全新结构成功的关键。专用氮化物MBE系统包括一个能够熔化铌的电子束蒸发源，熔点温度大约在4500度。铌原子层沉积在SiC晶圆上，然后在其上通过MBE生长出GaN半导体层。

图为SiC上NbNx外延层的带隙、晶格常数、结晶度和超导电性。

a.SiC和所选氮半导体的带隙Vs晶格常数

b.生长在SiC衬底上并带有AlN涂覆层的5nm NbNx的横截面图

c.电阻和温度曲线，显示在5nm（红色）和35nm（蓝色）有超导相变

研究团队首次证实了可直接在超导层晶体上生长和制造半导体晶体管开关的可能性，实现了半导体-超导体异质结。Jena说：“人们使用硅和砷化镓等其他半导体材料进行了尝试，但我认为并未成功取得我们在GaN上得到的研究成果。”

此次研究中所用的MBE由海军研究实验室研发。Meyer说：“该新的电子束蒸发源使我们得以克服传统源的温度限制，并且将高熔点、铌和钽等难熔过渡金属带入应用。”

研究团队表示，此次进展将超导体的宏观量子效应和氮化物半导体族材料的丰富电子和光电特性结合在一起，开启了一系列可能性。Jena说，该异质结集两种材料的优势于一体，提供了研发量子计算和高度安全通信系统的一种方法。

Meyer说：“对于量子系统，我们可以实现量子计算和编码，以及在传统系统中不可能完成的事情。传统系统也有自身的优势，在部分领域要远好于量子系统。而我们在其中间地带通过混合和匹配实现了美妙的事情。我们认为此次进展为下一代通信和计算系统的快速技术发展提供极好的机会。”

该研究成果的测量是在国家科学基金会（NSF）支持下，在康奈尔大学材料研究共享设施中心展开。异质结的制造也是在NSF的支持下，在康奈尔大学纳米级科学和技术设施展开。海军研究办公室也提供额外的支持。