Le silicium est le matériau semi-conducteur de choix pour l'électronique à peu près depuis que l'effet transistor a été observé et identifié pour la première fois il y a près de 80 ans. Il y a une vallée en Californie qui porte son nom, après tout.

Mais une famille relativement nouvelle de semi-conducteurs - les nitrures du groupe III, dont le nitrure de gallium (GaN), nitrure d'indium et nitrure d'aluminium - offre une plus grande polyvalence que le silicium avec des capacités de communications sans fil ultrarapides, interrupteurs haute tension et éclairage et photonique à haute intensité.

Une équipe dirigée par Debdeep Jena, professeur de génie électrique et informatique (ECE), et David Meyer, chef de la section Matériaux et dispositifs à large bande interdite au Laboratoire de recherche navale, a conçu avec succès une structure cristalline semi-conductrice-supraconductrice comportant du GaN cultivé directement sur un cristal de nitrure de niobium (NbN), un matériau supraconducteur éprouvé utilisé dans les communications quantiques, l'astronomie et une foule d'autres applications.

Le papier du groupe, « Hétérostructures épitaxiales semi-conductrices/supraconductrices GaN/NbN, " est publié en ligne le 8 mars dans La nature . L'ancien chercheur postdoctoral Rusen Yan et l'actuel postdoctorant Guru Khalsa sont co-auteurs principaux.

Les autres contributeurs clés ont été Grace Xing, le professeur Richard Lundquist sesquicentennial en ECE et MSE, et David Muller, le professeur Samuel B. Eckert d'ingénierie au Département de physique appliquée et d'ingénierie.

La méthode de combinaison des deux matériaux – l'épitaxie par jets moléculaires (MBE), essentiellement la peinture par pulvérisation d'atomes de gallium et d'azote sur le NbN dans un environnement sous vide - crée une interface extrêmement propre et est la clé du succès de la nouvelle structure.

Cette avance, le groupe dit, ouvre une gamme de possibilités qui peuvent désormais combiner les effets quantiques macroscopiques des supraconducteurs avec les riches propriétés électroniques et photoniques des semi-conducteurs à base de nitrure de groupe III.

"Les gens l'ont essayé avec d'autres semi-conducteurs, comme le silicium et l'arséniure de gallium, mais je pense que rien n'a été aussi réussi que ce que nous avons réussi à faire avec GaN, " dit Iéna, qui a une double nomination avec le Département de Science et Génie des Matériaux (MSE).

Les semi-conducteurs à base de nitrure de gallium ont récemment fait des percées majeures dans les domaines de l'éclairage LED, Diodes laser Blu-ray, énergie et communication. En réalité, le prix Nobel de physique 2014 a été décerné à un trio de scientifiques japonais pour leur invention de diodes électroluminescentes (DEL) bleues écoénergétiques utilisant du GaN.

Les avancées technologiques – en particulier le type de MBE utilisé dans ce travail, qui a été développé au Naval Research Laboratory – a permis aux scientifiques de réfléchir aux hétérostructures semi-conductrices-supraconductrices telles que celle développée par le groupe de Jena.

Le système spécialisé de nitrure MBE comprend une source d'évaporateur à faisceau d'électrons, qui « fait fondre » le niobium – qui a un point de fusion d'environ 4, 500 degrés – mais pas le creuset dans lequel il se trouve. Des atomes de niobium sont déposés sur une plaquette de carbure de silicium, et les couches semi-conductrices de GaN sont ensuite développées par-dessus, également par MBE.

« Cette nouvelle source nous a permis de dépasser les limitations de température des sources conventionnelles, et apporter un point de fusion élevé, les métaux de transition réfractaires comme le niobium et le tantale dans l'image, " a déclaré Meyer.

L'équipe a démontré pour la première fois la croissance et la fabrication d'un commutateur à transistor à semi-conducteur, l'élément de gain prototypique en électronique, directement au-dessus d'une couche supraconductrice cristalline. Cette hétérostructure est une sorte de « meilleur des deux mondes, " Iéna a dit, offrant une méthode pour concevoir des systèmes de calcul quantique et de communication hautement sécurisés.

« Il y a certaines choses que nous aimerions faire avec les systèmes quantiques :le calcul quantique et la cryptographie, choses qui ne sont pas possibles dans les systèmes classiques, " dit-il. " D'un autre côté, il y a des choses pour lesquelles les systèmes classiques sont bien meilleurs que les systèmes quantiques. Et il y a cette mésozone où vous pouvez faire des choses merveilleuses en mélangeant et en faisant correspondre les deux."

"Nous pensons que cela présente une merveilleuse opportunité pour le développement technologique rapide des systèmes de communication et de calcul de nouvelle génération, " a déclaré Meyer.