El silicio ha sido el material semiconductor de elección para la electrónica prácticamente desde que se observó e identificó el efecto transistor por primera vez hace casi 80 años. Hay un valle en California llamado así después de todo.

Pero una familia relativamente nueva de semiconductores:nitruros del grupo III, incluido el nitruro de galio (GaN), nitruro de indio y nitruro de aluminio:ofrece una mayor versatilidad que el silicio con capacidades para comunicaciones inalámbricas ultrarrápidas, interruptores de alto voltaje e iluminación y fotónica de alta intensidad.

Un equipo dirigido por Debdeep Jena, profesor de ingeniería eléctrica e informática (ECE), y David Meyer, jefe de la sección de Materiales y Dispositivos de Banda Ancha en el Laboratorio de Investigación Naval, ha diseñado con éxito una estructura de cristal semiconductor-superconductor con GaN cultivado directamente en un cristal de nitruro de niobio (NbN), un material superconductor probado utilizado en comunicaciones cuánticas, astronomía y muchas otras aplicaciones.

El periódico del grupo, "Heteroestructuras epitaxiales de semiconductores / superconductores de GaN / NbN, "se publica en línea el 8 de marzo en Naturaleza . El ex investigador postdoctoral Rusen Yan y el actual postdoctorado Guru Khalsa son coautores principales.

Otros contribuyentes clave fueron Grace Xing, el profesor Richard Lundquist Sesquicentennial en ECE y MSE, y David Muller, el Profesor Samuel B. Eckert de Ingeniería en el Departamento de Física Aplicada e Ingeniería.

El método para combinar los dos materiales:epitaxia de haz molecular (MBE), Básicamente, la pintura en aerosol de átomos de galio y nitrógeno sobre el NbN en un entorno de vacío crea una interfaz extremadamente limpia y es clave para el éxito de la nueva estructura.

Este avance, el grupo dice, abre un abanico de posibilidades que ahora pueden combinar los efectos cuánticos macroscópicos de los superconductores con las ricas propiedades electrónicas y fotónicas de los semiconductores de nitruro del grupo III.

"La gente lo ha probado con otros semiconductores, como silicio y arseniuro de galio, pero no creo que nada haya tenido tanto éxito como lo que logramos hacer con GaN, "dijo Jena, que tiene una cita doble con el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE).

Los semiconductores a base de nitruro de galio han hecho avances importantes en las áreas de iluminación LED, Diodos láser Blu-ray, energía y comunicaciones. De hecho, El Premio Nobel de Física de 2014 fue otorgado a un trío de científicos japoneses por su invención de diodos emisores de luz azul (LED) energéticamente eficientes que utilizan GaN.

Los avances tecnológicos, en particular el tipo de MBE utilizado en este trabajo, que fue desarrollado en el Laboratorio de Investigación Naval, ha hecho posible que los científicos piensen en heteroestructuras de semiconductores-superconductores como la que ha desarrollado el grupo de Jena.

El sistema MBE de nitruro especializado incluye una fuente de evaporador de haz de electrones, que "derrite" el niobio, que tiene un punto de fusión de alrededor de 4, 500 grados, pero no el crisol en el que se encuentra. Los átomos de niobio se depositan en una oblea de carburo de silicio, y las capas de semiconductores de GaN se cultivan encima de eso, también por MBE.

"Esta nueva fuente nos permitió superar las limitaciones de temperatura de las fuentes convencionales, y traer un alto punto de fusión, metales de transición refractarios como niobio y tantalio en la imagen, "Dijo Meyer.

El equipo demostró por primera vez el crecimiento y la fabricación de un interruptor de transistor semiconductor, el elemento de ganancia prototípico en electrónica, directamente encima de una capa superconductora cristalina. Esta heteroestructura es una especie de "lo mejor de ambos mundos, "Jena dijo, ofreciendo un método para diseñar computación cuántica y sistemas de comunicaciones de alta seguridad.

"Hay algunas cosas que nos encantaría hacer con los sistemas cuánticos:computación cuántica y criptografía, cosas que no son posibles en los sistemas clásicos, ", dijo." Por otro lado, hay cosas en las que los sistemas clásicos son mucho mejores que los sistemas cuánticos. Y existe esta mesozona en la que puedes hacer cosas maravillosas mezclando y combinando las dos ".

"Creemos que esto presenta una oportunidad maravillosa para el rápido desarrollo tecnológico de los sistemas de computación y comunicaciones de próxima generación, "Dijo Meyer.