半导体进入量子世界

超导体中的量子效应将会给半导体技术带来新的变化

瑞士保罗谢勒研究所 PSI 和美国康奈尔大学的研究人员已经确定了一种可以将量子设备集成到半导体技术中，从而使电子元件变得更加强大的复合材料。

该文“GaN/NbN外延半导体/超导体异质结中的动量分辨电子结构和能带偏移”已经发表在了《Science Advances》杂志上。

目前我们的电子基础设施主要基于半导体材料。这类材料在 20 世纪中出现后，一直在不断地被改进。当前，半导体电子领域最重要的突破在于如何进一步改进以增加数据传输的带宽、能源效率和信息安全。利用量子效应很可能是一个突破。

在超导材料中可能产生的量子效应是值得关注的重点。超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。可以利用超导体中的量子效应这一事实已经在第一台量子计算机中得到证明。

为了寻找当今半导体电子学的潜在继任者，一些研究人员展开了关于异质结的研究，这其中就包括康奈尔大学的一个研究小组。异质结，即由两种不同类型的半导体材料依先后次序沉积在同一基座上制成的结构。更具体地说，他们正在研究超导体和半导体材料的层状系统。

制作异质结要求两种材料有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。比较合适的材料分别是超导体氮化铌 (NbN) 和半导体氮化镓 (GaN)。后者已经经过验证并在半导体电子产品中发挥了重要作用。然而，到目前为止还不清楚的是电子在这两种材料接触界面上的具体行为，以及来自半导体的电子是否有可能干扰超导性，从而消除量子效应。

当来自PSI的 Vladimir Strocov 博士在康奈尔大学遇到该研究小组时，他就知道，这个问题可以在PSI的瑞士光源（SLS）找到答案。“通过我们在 ADRESS 线站上的光谱分析法” Vladimir Strocov 博士解释道。

这就是两个小组合作的起源。在他们的实验中，他们最终发现这两种材料中的电子都“保持自我”，不会发生可能破坏量子效应的不必要的相互作用。

ADRESS 线站的研究人员通过软 X 射线角度分辨光电子能谱 – 即SX-ARPES，可以直观地看到材料中电子的集体运动，Vladimir Strocov 团队的博士后研究员 Tianlun Yu在线站上使用该方法对 NbN/GaN 异质结构进行了测量。

SX-ARPES方法提供了一种类似下图所显示的地图，其空间坐标显示分别电子能量和速度；或者说他们的势头。“在这种表示中，电子状态在地图中显示为亮带，” Yu解释说。

研究成果显示：在氮化铌 NbN 和氮化镓 GaN 之间的材料边界处，各自的“能带”彼此分离界限明显。这意味着电子都保留在其原始材料中，不会与相邻材料中的电子产生相互作用。

“对我们来说，最重要的结论是，研究证实了氧化铌的超导性不受干扰，即使它被逐原子放置以匹配氮化镓层，”Vladimir Strocov 博士说，“同时，这个层状系统可以适用于一种新形式的半导体电子器件，该半导体电子器件嵌入并利用了超导体中发生的量子效应。”

参考信息

Momentum-resolved electronic structure and band offsets in an epitaxial NbN/GaN superconductor/semiconductor heterojunction
T. Yu, J. Wright, G. Khalsa, B. Pamuk, C. S. Chang, Y. Matveyev, X. Wang, T. Schmitt, D. Feng, D. A. Muller, H. G. Xing, D. Jena, V. N. Strocov
Science Advances, 22 December 2021 (online)
DOI: 10.1126/sciadv.abi5833

文本来源：Paul Scherrer Institute/Laura Hennemann

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