近日，來自澳大利亞昆士蘭大學和美國紐約大學的研究人員利用行業(yè)已有的半導體制造設備，在摻鎵外延鍺中實現(xiàn)了超導性。他們基于行業(yè)已有的標準芯片制造技術制備出了超導鍺半導體材料，所打造的原型產(chǎn)品在 2 英寸晶圓上擁有數(shù)百萬個超導結。

（來源：Patrick Strohbeen / NYU)）

在摻雜鍺薄膜的生長上，研究人員使用與化合物半導體和低溫互補金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）生產(chǎn)相同的外延技術，因此本次成果理論上也能和已有的晶圓代工廠工作流程互相兼容。

在鍺中實現(xiàn)超導，將能為基于當前半導體工藝來開發(fā)可擴展型量子器件開辟新道路。同時，這一成果提升了人們對于 IV 族半導體物理性質的理解，也挖掘出了將它們用于低功耗低溫電子設備和高靈敏度傳感器的可能。這一成果標志著超導體制造工藝從小批量的層狀超導體向著在半導體襯底上進行可擴展的晶圓級集成邁出了重要一步，相關論文發(fā)表于 Nature Nanotechnology。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02042-8）

輕微變形之后材料仍能保持穩(wěn)定

本次研究人員所制備的具有超導性的鍺材料，既能在零電阻狀態(tài)下導電，也能讓電流無損耗低持續(xù)流動。對于預期鎵摻雜濃度為 17.9% 薄膜，在 3.5K 即大約-269.7℃的溫度條件下，經(jīng)過調控的鍺薄膜展現(xiàn)出了超導性，并且可以構建高密度的晶圓級約瑟夫森結陣列，據(jù)了解這種陣列是量子和低溫射頻電路的重要組成部分。

超導結能在低溫下進行電學表征，這讓其超導特性得到證實，也說明其具備可被用于器件集成的實用電流密度。結合第一性原理計算結果，本次研究證明鎵摻雜劑的結構有序性形成了窄帶，從而促成了鍺中的超導現(xiàn)象，由此證明超摻雜的鎵：鍺可被作為一種低無序的、外延型超導-半導體平臺。

事實上，在正常條件下鍺本身并不具備超導能力，但是研究人員通過改變其晶體結構，誘導出了能夠支持電子配對的能帶結構，進而實現(xiàn)了超導。在分子束外延技術的幫助之下，研究人員將鎵原子精確地嵌入鍺的晶格之中，借此實現(xiàn)了高濃度的摻雜，進而獲得了高度有序的晶格結構。

雖然摻雜導致晶格發(fā)生了輕微變形，但是材料仍能保持穩(wěn)定。當摻雜濃度足夠高的時候，薄膜會發(fā)生體超導轉變。更重要的是，界面會保持在外延狀態(tài)，并且不存在無序的中間層，因此不會給混合堆疊結構的性能帶來影響。

通過使用分子束外延技術生長鎵摻雜的鍺薄膜，能夠更好地控制薄膜生長過程中的寄生加熱，從而能夠形成平滑的鎵吸附原子浮動層，這促進了鍺的低溫生長，保持了其表面光滑性和單晶性。

而通過重新配置生長腔室和優(yōu)化生長溫度，研究人員在表面形貌、原子有序性和疇結構方面獲得了巨大改進。其還通過生長三層異質結構，來針對垂直約瑟夫森結器件架構進行原理驗證，借此改進了材料質量，緩解了與典型非晶氧化物隧道結相關的材料無序性問題。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02042-8）

有望為量子互連提供切實可行的路徑

多年來，讓半導體材料具備超導特性是學界一直希望實現(xiàn)的目標之一，因為只有實現(xiàn)這一目標才能提升芯片和電池的運行速度和能源效率，從而推動量子技術的發(fā)展。但在此前，人們很難在硅和鍺等半導體中實現(xiàn)超導性。

在元素周期表中，鍺和硅屬于同一主族，它們都是半導體材料，在化學性質上也非常接近，并均已被用于光纖和計算機芯片。要想讓鍺和硅擁有超導性，關鍵在于引入足夠多的導電電子，只有這樣才能在低溫下形成配對并進行協(xié)同運動，從而消除電阻。

之前，當進行高濃度的摻雜時，晶體往往會被破壞，以至于難以獲得穩(wěn)定的超導態(tài)。同時，對于超導量子比特陣列和低溫微波前端來說，需要基于它們執(zhí)行復雜的封裝步驟，只有這樣才能將半導體控制邏輯與超導互連集成在一起。

而研究人員所使用的結制備工藝具有較好的均勻性，能夠在大面積范圍之內實現(xiàn)高度一致的臨界電流密度。眼下，研究人員已將探索重點轉向更大尺寸的晶圓、跨制造節(jié)點的可重復性以及超導鍺薄膜與傳統(tǒng)晶圓邏輯器件之間的耦合。如果能夠證明可行性，將有望為量子互連提供一條切實可行的路徑。

參考資料：

相關論文 https://www.nature.com/articles/s41565-025-02042-8

其他報道 https://mp.weixin.qq.com/s/wCgcCgqDyrEwN2GBQxlwiA?click_id=14

https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/researchers-create-superconductive-鍺 rmanium-using-standard-chip-fabrication-techniques

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