【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】半導(dǎo)體二極管與晶體管是現(xiàn)代電子工業(yè)的基石，它們是構(gòu)建超大規(guī)模集成電路的最基礎(chǔ)電子元件。半導(dǎo)體二極管常以P-N結(jié)或肖特基結(jié)為基礎(chǔ)，核心是其單向?qū)ㄌ匦浴Ｔ谡蚱珘合聲r，P-N結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許電流通過，開啟電壓低；而在反向偏壓下，P-N結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，電流幾乎無法通過，反向擊穿電壓高。不同于半導(dǎo)體材料，超導(dǎo)體具有宏觀量子效應(yīng)，電流可以無阻地流通超導(dǎo)體。由于超導(dǎo)體的超流特性，研制超導(dǎo)二極管似乎難以實現(xiàn)。直到2020年，日本京都大學(xué)Teruo Ono研究組在[Nb/V/Ta]40超晶格中通過施加橫向磁場首次實現(xiàn)超導(dǎo)二極管現(xiàn)象[1]。此后，科研人員分別在不同的量子系統(tǒng)中實現(xiàn)了超導(dǎo)二級管效應(yīng)或超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)二極管[2]。然而這些超導(dǎo)二極管結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以構(gòu)建大規(guī)模超導(dǎo)集成電路，因此如何利用常規(guī)超導(dǎo)體結(jié)合成熟的半導(dǎo)體微納工藝技術(shù)研制穩(wěn)定可靠的超導(dǎo)二極管是是超導(dǎo)電子學(xué)的研究熱點之一[3]。而在超導(dǎo)電子學(xué)最常用的s波超導(dǎo)體中，由于其各向同性的超導(dǎo)電性，難以研制具有單向?qū)ㄌ匦缘某瑢?dǎo)二極管。
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所尤立星、李浩團隊利用超導(dǎo)電流的擁堵效應(yīng)(crowding effect)成功在超導(dǎo)納米線中實現(xiàn)了超導(dǎo)二極管效應(yīng)。相關(guān)研究成果以《不對稱超導(dǎo)納米線中的二極管效應(yīng)(Superconducting Diode Effect in a Constricted Nanowire)》為題，發(fā)表在Advanced Quantum Technologies上。
超導(dǎo)納米線是維度最低、宏觀尺寸最小的超導(dǎo)電子學(xué)元件，它有望構(gòu)建具有高集成度的新型超導(dǎo)邏輯器件與邏輯電路，如N-tron與Y-tron、納米線二極管與晶體管等新型超導(dǎo)量子器件。而在電流穩(wěn)定流動的超導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)中，任意的空間尺寸擴張或收縮都將引起超導(dǎo)序參量的空間漲落，導(dǎo)致超導(dǎo)臨界電流的減小(電流擁堵效應(yīng))，因此通過在超導(dǎo)納米線上引入一個微小的收縮或擴張區(qū)域，即可構(gòu)建出具有非互易電輸運特性的超導(dǎo)納米線二極管。超導(dǎo)納米線二極管的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，超導(dǎo)納米線采用超導(dǎo)電子學(xué)最常用的超導(dǎo)體之一: NbTiN超導(dǎo)薄膜。通過施加一個較小的外磁場，不對稱超導(dǎo)納米線即展現(xiàn)出了明顯的非互易電輸運特性，其正向臨界電流與反向臨界電流存在著明顯的差異。
圖1 a. 超導(dǎo)納米線二極管的掃描電鏡圖。 b. 超導(dǎo)納米線二極管的非互易電輸運特性
此外研究人員還利用超導(dǎo)納米線二極管演示了其對方波和正弦波的整流特性，如圖2所示。當(dāng)給超導(dǎo)納米線二極管施加一個幅值處于正向臨界電流和反向臨界電流之間的一個方波或正弦波信號時，由于超導(dǎo)納米線二極管的非互易電輸運特性，其只在單一方向上偏置電流可以無阻地流通，在反方向上則輸出相應(yīng)的電壓信號。
圖2 超導(dǎo)納米線二極管的整流效應(yīng)。
論文入選期刊當(dāng)期的正文封面(Front Cover)，近日還獲得了2024年第二季度威立Wiley中國高貢獻作者獎。論文第一作者為上海微系統(tǒng)所副研究員張孝富，研究生郇慶昌和馬若巖。通訊作者為上海微系統(tǒng)所張孝富、尤立星。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。
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