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新型半导体 超导体结构具有通用的氮化镓特性

发布时间:2020-05-31 15:58:51  编辑:  来源:

自从近80年前晶体管效应首次被观察和识别以来,硅一直是电子器件的首选半导体材料。加州有个山谷就是以它命名的。

但一个相对较新的半导体家族——iii族氮化物,包括氮化镓(GaN)、氮化铟和氮化铝——具有比硅更大的多功能性,能够用于超快无线通信、高压开关、高强度照明和光子学。

教授领导的研究小组Debdeep Jena电气和计算机工程(ECE)和大卫•迈耶的宽禁带材料和设备部分海军研究实验室,成功地设计了一个semiconductor-superconductor晶体结构具有直接氮化镓生长到晶体氮化铌(”,证明超导材料在量子通信中,天文学和许多其他应用程序。

该小组的论文“氮化镓/氮化硼外延半导体/超导体异质结构”将于3月8日发表在《自然》杂志网络版上。前博士后研究员Rusen Yan和现在的博士后导师Khalsa是共同的主要作者。

其他主要贡献者包括欧洲经学院和麻省理工学院的Richard Lundquist sesquicennial教授Grace Xing,以及应用与工程物理系的Samuel B. Eckert教授David Muller。

将两种材料——分子束外延(MBE),本质上是在真空环境中将镓和氮原子喷涂到氮化硼上——结合在一起的方法创造了一个非常干净的界面,是这种新结构成功的关键。

该小组说,这一进展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族氮化半导体的丰富电子和光子特性结合起来。

“人们已经在其他半导体上尝试过它,比如硅和砷化镓,但我不认为有什么能像我们在氮化镓上所做的那样成功,”耶拿说,她同时在材料科学与工程学院(MSE)任职。

氮化镓基半导体最近在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年的诺贝尔物理学奖授予了三位日本科学家,因为他们发明了使用氮化镓的节能蓝色发光二极管(led)。

技术进步——尤其是这项工作中使用的MBE类型,是由海军研究实验室开发的——使科学家们有可能考虑半导体-超导体异质结构,如耶拿的团队开发的那种。

专门的氮化MBE系统包括一个电子束蒸发器源,它“融化”铌——熔点在4500度左右——但不是它所在的坩埚。铌原子沉积在碳化硅晶圆上,然后氮化镓半导体层也通过MBE生长在其上。

迈耶说:“这种新材料使我们能够克服传统材料的温度限制,将高熔点、难熔过渡金属,如铌和钽引入到研究中。”

该团队首次展示了半导体晶体管开关的生长和制造,半导体晶体管开关是电子器件中的典型增益元件,直接位于晶体超导体层之上。耶拿说,这种异质结构是一种“两全其美”的结构,为设计量子计算和高度安全的通信系统提供了一种方法。

他说:“我们想在量子系统中做一些事情——量子计算和密码术,这在经典系统中是不可能的。”“另一方面,经典系统在某些方面要比量子系统好得多。在这种中臭氧的作用下,你可以通过混合和匹配这两种物质来做一些奇妙的事情。”

“我们认为这为下一代通信和计算系统的快速技术发展提供了一个绝佳的机会,”Meyer说。

标签:新型半导体
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