Ny halvleder-superlederstruktur har alsidig galliumnitrid

Silicium har været det foretrukne halvledermateriale til elektronik stort set siden transistoreffekten først blev observeret og identificeret for næsten 80 år siden. Der er en dal i Californien opkaldt efter det, trods alt.

Men en relativt ny familie af halvledere - gruppe III-nitrider, inklusive galliumnitrid (GaN), indiumnitrid og aluminiumnitrid – tilbyder større alsidighed end silicium med kapacitet til ultrahurtig trådløs kommunikation, højspændingsafbrydere og højintensitetsbelysning og fotonik.

Et team ledet af Debdeep Jena, professor i elektro- og computerteknik (ECE), og David Meyer, leder af sektionen Wide Bandgap Materials and Devices ved Naval Research Laboratory, har med succes udtænkt en halvleder-superleder krystalstruktur med GaN dyrket direkte på en krystal af niobiumnitrid (NbN), et gennemprøvet superledermateriale brugt i kvantekommunikation, astronomi og en lang række andre applikationer.

Gruppens papir, "GaN/NbN epitaksielle halvleder/superleder heterostrukturer, " bliver offentliggjort online den 8. marts i Natur . Tidligere postdoc-forsker Rusen Yan og nuværende postdoc Guru Khalsa er co-lead forfattere.

Andre vigtige bidragydere var Grace Xing, Richard Lundquist Sesquicentennial Professor i ECE og MSE, og David Muller, Samuel B. Eckert professor i ingeniørvidenskab ved Institut for Anvendt og Teknisk Fysik.

Metoden til at kombinere de to materialer - molekylær stråleepitaksi (MBE), i det væsentlige spraymaling af gallium- og nitrogenatomer på NbN i et vakuummiljø – skaber en ekstremt ren grænseflade og er nøglen til succesen med den nye struktur.

dette fremskridt, gruppen siger, åbner op for en række muligheder, der nu kan kombinere superlederes makroskopiske kvanteeffekter med de rige elektroniske og fotoniske egenskaber af gruppe III-nitrid-halvledere.

"Folk har prøvet det med andre halvledere, som silicium og galliumarsenid, men jeg tror ikke, at noget har været så vellykket som det, vi har formået at gøre med GaN, sagde Jena, som har en dobbeltansættelse hos Institut for Materialevidenskab og Teknik (MSE).

Galliumnitrid-baserede halvledere har for nylig gjort et stort indtog inden for LED-belysning, Blu-ray laserdioder, energi og kommunikation. Faktisk, Nobelprisen i fysik i 2014 blev givet til en trio af japanske videnskabsmænd for deres opfindelse af energieffektive blå lysdioder (LED'er) ved hjælp af GaN.

Teknologiske fremskridt – især den type MBE, der bruges i dette arbejde, som blev udviklet på Naval Research Laboratory – har gjort det muligt for forskere at tænke på halvleder-superleder-heterostrukturer som den Jenas gruppe har udviklet.

Det specialiserede nitrid MBE-system inkluderer en elektronstrålefordamperkilde, som "smelter" niobium - som har et smeltepunkt på omkring 4, 500 grader – men ikke diglen, den er i. Niobatomer aflejres på en siliciumcarbidwafer, og GaN-halvlederlagene dyrkes så oven i det, også af MBE.

"Denne nye kilde gjorde det muligt for os at overvinde temperaturbegrænsningerne for konventionelle kilder, og bringe højt smeltepunkt, ildfaste overgangsmetaller som niob og tantal ind i billedet, "Sagde Meyer.

Holdet demonstrerede for første gang væksten og fremstillingen af ​​en halvledertransistor switch, det prototypiske gain-element i elektronik, direkte oven på et krystallinsk superlederlag. Denne heterostruktur er en slags "det bedste fra begge verdener, " sagde Jena, tilbyder en metode til at udtænke kvanteberegning og meget sikre kommunikationssystemer.

"Der er nogle ting, som vi ville elske at gøre med kvantesystemer - kvanteberegning og kryptografi, ting, der ikke er mulige i klassiske systemer, sagde han. På den anden side, der er ting, som klassiske systemer er meget bedre til end kvantesystemer. Og der er denne mesozone, hvor du kan gøre vidunderlige ting ved at blande og matche de to."

"Vi mener, at dette udgør en vidunderlig mulighed for hurtig teknologisk udvikling af næste generations kommunikations- og beregningssystemer, "Sagde Meyer.