半導體進入量子世界
超導體中的量子效應將會給半導體技術(shù)帶來新的變化
瑞士保羅謝勒研究所 PSI 和美國康奈爾大學的研究人員已經(jīng)確定了一種可以將量子設(shè)備集成到半導體技術(shù)中，從而使電子元件變得更加強大的復合材料。
該文“GaN/NbN外延半導體/超導體異質(zhì)結(jié)中的動量分辨電子結(jié)構(gòu)和能帶偏移”已經(jīng)發(fā)表在了《Science Advances》雜志上。
目前我們的電子基礎(chǔ)設(shè)施主要基于半導體材料。這類材料在 20 世紀中出現(xiàn)后，一直在不斷地被改進。當前，半導體電子領(lǐng)域最重要的突破在于如何進一步改進以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?、能源效率和信息安全。利用量子效應很可能是一個突破。
在超導材料中可能產(chǎn)生的量子效應是值得關(guān)注的重點。超導材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。可以利用超導體中的量子效應這一事實已經(jīng)在第一臺量子計算機中得到證明。
為了尋找當今半導體電子學的潛在繼任者，一些研究人員展開了關(guān)于異質(zhì)結(jié)的研究，這其中就包括康奈爾大學的一個研究小組。異質(zhì)結(jié)，即由兩種不同類型的半導體材料依先后次序沉積在同一基座上制成的結(jié)構(gòu)。更具體地說，他們正在研究超導體和半導體材料的層狀系統(tǒng)。
制作異質(zhì)結(jié)要求兩種材料有相似的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子間距和熱膨脹系數(shù)。比較合適的材料分別是超導體氮化鈮 (NbN) 和半導體氮化鎵 (GaN)。后者已經(jīng)經(jīng)過驗證并在半導體電子產(chǎn)品中發(fā)揮了重要作用。然而，到目前為止還不清楚的是電子在這兩種材料接觸界面上的具體行為，以及來自半導體的電子是否有可能干擾超導性，從而消除量子效應。
當來自PSI的 Vladimir Strocov 博士在康奈爾大學遇到該研究小組時，他就知道，這個問題可以在PSI的瑞士光源（SLS）找到答案?！巴ㄟ^我們在 ADRESS 線站上的光譜分析法” Vladimir Strocov 博士解釋道。
這就是兩個小組合作的起源。在他們的實驗中，他們最終發(fā)現(xiàn)這兩種材料中的電子都“保持自我”，不會發(fā)生可能破壞量子效應的不必要的相互作用。
用來自同步輻射的光揭示電子結(jié)構(gòu)
ADRESS 線站的研究人員通過軟 X 射線角度分辨光電子能譜 – 即SX-ARPES，可以直觀地看到材料中電子的集體運動，Vladimir Strocov 團隊的博士后研究員 Tianlun Yu在線站上使用該方法對 NbN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了測量。
Tianlun Yu（左）和 Vladimir Strocov 在SLS的 ADRESS 線站，他們在那里測量了由超導體氮化鈮 (NbN) 和半導體氮化鎵 (GaN)制成的層狀結(jié)構(gòu)。（照片來源：保羅謝勒研究所 PSI/Mahir Dzambegovic）
SX-ARPES方法提供了一種類似下圖所顯示的地圖，其空間坐標顯示分別電子能量和速度；或者說他們的勢頭。“在這種表示中，電子狀態(tài)在地圖中顯示為亮帶，” Yu解釋說。
電子的“地圖”：該圖是使用 SX-ARPES 方法獲得的，顯示了代表電子在能量/動量空間中占據(jù)的狀態(tài)的亮帶。半導體氮化鎵 (GaN) 中的能帶與氮化鈮 (NbN) 中的超導態(tài)（淺藍色虛線）明顯分離。這意味著兩種材料中的決定性電子不會相互干擾。（圖片來源：Paul Scherrer Institute/ Tianlun Yu）
研究成果顯示：在氮化鈮 NbN 和氮化鎵 GaN 之間的材料邊界處，各自的“能帶”彼此分離界限明顯。這意味著電子都保留在其原始材料中，不會與相鄰材料中的電子產(chǎn)生相互作用。
“對我們來說，最重要的結(jié)論是，研究證實了氧化鈮的超導性不受干擾，即使它被逐原子放置以匹配氮化鎵層，”Vladimir Strocov 博士說，“同時，這個層狀系統(tǒng)可以適用于一種新形式的半導體電子器件，該半導體電子器件嵌入并利用了超導體中發(fā)生的量子效應。”
參考信息
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
文本來源：Paul Scherrer Institute/Laura Hennemann
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