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結晶系を揃え、原子スケールで乱れのない超伝導体/半導体の接合に成功 ~新機能を持つ窒化物半導体デバイス開発への一歩~

Peer-Reviewed Publication

Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

image: Researchers at The University of Tokyo grow a nanoscale layer of a superconducting material on top of a nitride-semiconductor substrate, which may help facilitate the integration of quantum qubits with existing microelectronics view more 

Credit: Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

 東京大学 生産技術研究所の小林 篤 特任准教授、上野 耕平 助教、藤岡 洋 教授、大学院工学系研究科 修士課程の紀平 俊矢 大学院生(研究当時)、博士課程の武田 崇仁 大学院生、附属スピントロニクス学術連携研究教育センターの小林 正起 准教授、物質・材料研究機構の原田 尚之 独立研究者の共同研究グループは、窒化物結晶を用いて超伝導体と半導体の高品質接合を作製することに成功しました。

金属元素は窒素と化合し、結晶化すると、さまざまな機能を生み出します。例えば、窒化ニオブ(NbN)は低温で超伝導体となり、アルミニウム、ガリウム、インジウムなどの13族元素の窒化物は半導体となります。最近、窒化物超伝導体と窒化物半導体をひとつのデバイスに集積させ、それぞれの機能を融合させる研究が、世界中で盛んに行われています。この技術が実用化すれば、単一光子を利用したコンピュータなど新しい量子デバイスを作製できるようになります。しかし、窒化物超伝導体と窒化物半導体は結晶系が異なるため、両者を接合すると界面に高密度の結晶欠陥が形成され、素子性能を低下させてしまうことが問題でした。

今回、本研究グループは、超伝導体のNbNを結晶化させる温度を精密に制御することで、結晶化温度と結晶構造の関係性を初めて明らかにしました。この技術を応用し、NbNと窒化アルミニウム(AlN)半導体の結晶系を人工的に揃えることで、高品質なNbN/AlN接合を作製することに成功しました。

今回開発した技術は、これまで独立に発展を遂げてきた半導体と超伝導体のエレクトロニクスをシームレスにつなぐ架け橋となり、極低温で動作する電子デバイスや、単一光子を制御する新規量子デバイスのデザインを可能とします。


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