Silicium is het halfgeleidermateriaal bij uitstek voor elektronica sinds het transistoreffect bijna 80 jaar geleden voor het eerst werd waargenomen en geïdentificeerd. Er is een vallei in Californië naar vernoemd, ten slotte.

Maar een relatief nieuwe familie van halfgeleiders – groep III-nitriden, inclusief galliumnitride (GaN), indiumnitride en aluminiumnitride - biedt meer veelzijdigheid dan silicium met mogelijkheden voor ultrasnelle draadloze communicatie, hoogspanningsschakelaars en hoge-intensiteitsverlichting en fotonica.

Een team onder leiding van Debdeep Jena, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek (ECE), en David Meijer, hoofd van de sectie Wide Bandgap Materials and Devices van het Naval Research Laboratory, heeft met succes een halfgeleider-supergeleider-kristalstructuur ontwikkeld met GaN rechtstreeks gegroeid op een kristal van niobiumnitride (NbN), een bewezen supergeleidermateriaal dat wordt gebruikt in kwantumcommunicatie, astronomie en tal van andere toepassingen.

Het blad van de groep, "GaN/NbN epitaxiale halfgeleider/supergeleider heterostructuren, " wordt 8 maart online gepubliceerd in Natuur . Voormalig postdoctoraal onderzoeker Rusen Yan en huidige postdoc Guru Khalsa zijn co-hoofdauteurs.

Andere belangrijke bijdragers waren Grace Xing, de Richard Lundquist Sesquicentennial Professor in ECE en MSE, en David Müller, de Samuel B. Eckert hoogleraar Engineering aan de afdeling Toegepaste en Technische Natuurkunde.

De methode voor het combineren van de twee materialen - moleculaire bundelepitaxie (MBE), in wezen spuiten van gallium- en stikstofatomen op het NbN in een vacuümomgeving - creëert een extreem schone interface en is de sleutel tot het succes van de nieuwe structuur.

Dit voorschot, zegt de groep, opent een scala aan mogelijkheden die nu de macroscopische kwantumeffecten van supergeleiders kunnen combineren met de rijke elektronische en fotonische eigenschappen van groep III-nitride halfgeleiders.

"Mensen hebben het geprobeerd met andere halfgeleiders, zoals silicium en galliumarsenide, maar ik denk niet dat iets zo succesvol is geweest als wat we met GaN hebben kunnen doen, " zei Jena, die een dubbele aanstelling heeft bij de afdeling Materials Science and Engineering (MSE).

Op galliumnitride gebaseerde halfgeleiders hebben onlangs een grote doorbraak gemaakt op het gebied van led-verlichting, Blu-ray laserdiodes, energie en communicatie. In feite, de Nobelprijs voor de natuurkunde 2014 werd toegekend aan een drietal Japanse wetenschappers voor hun uitvinding van energiezuinige blauwe lichtemitterende diodes (LED's) met behulp van GaN.

Technologische vooruitgang - met name het type MBE dat in dit werk wordt gebruikt, die werd ontwikkeld in het Naval Research Laboratory - heeft het voor wetenschappers mogelijk gemaakt om na te denken over heterostructuren van halfgeleiders en supergeleiders, zoals die van Jena's groep.

Het gespecialiseerde nitride MBE-systeem omvat een elektronenstraalverdamperbron, die het niobium "smelt" - dat een smeltpunt heeft van ongeveer 4, 500 graden – maar niet de smeltkroes waarin hij zich bevindt. Niobiumatomen worden afgezet op een siliciumcarbidewafel, en de GaN-halfgeleiderlagen worden daarbovenop gegroeid, ook door MBE.

"Deze nieuwe bron stelde ons in staat om de temperatuurbeperkingen van conventionele bronnen te overwinnen, en breng een hoog smeltpunt, vuurvaste overgangsmetalen zoals niobium en tantaal in beeld, ' zei Meijer.

Het team demonstreerde voor het eerst de groei en fabricage van een halfgeleidertransistorschakelaar, het prototypische versterkingselement in de elektronica, direct bovenop een kristallijne supergeleiderlaag. Deze heterostructuur is een soort "best of both worlds, "Jena zei, het aanbieden van een methode voor het bedenken van kwantumberekening en zeer veilige communicatiesystemen.

"Er zijn een aantal dingen die we graag zouden doen met kwantumsystemen - kwantumberekening en cryptografie, dingen die niet mogelijk zijn in klassieke systemen, "zei hij. "Aan de andere kant, er zijn dingen waar klassieke systemen veel beter in zijn dan kwantumsystemen. En er is deze mesozone waar je prachtige dingen kunt doen door de twee te mixen en matchen."

"We denken dat dit een geweldige kans biedt voor snelle technologische ontwikkeling van communicatie- en rekensystemen van de volgende generatie, ' zei Meijer.