氮化铟超导单光子探测器
项目概况
- 氮化铟超导单光子探测器 III 族氮化物（包括 InN、GaN、AlN 及其合金）作为重要的化合物半导体，在蓝光二极管/激光器、半 导体照明、大功率电子器件等应用领域获得了巨大的成功。为此， 日本名古屋大学的天野浩、赤崎勇教授和日亚公司的中村修二博士 获得 2014 年诺贝尔物理学奖。 在氮化物中，InN 在电学性质方 面与我们一般印象中的氮化物(GaN、AlN)存在明显不同。其中最意 外的就是发现 InN 在低温(一般<3K)下竟然可以是超导体。这个发 现的重大意义在于 III 族氮化物应用于超导电子学领域的潜力被 展现出来了。但是 InN 超导的前景在最近几年并不明朗。很多人否 认 InN 超导的的存在，认为其超导来源于 InN 中的可能存在的金属 铟，虽然该观点也没有实验证据。 研究情况: 本组一直致力 于 InN 材料的生长、器件物理研究。我们经过系统的实验，用酸液 除去 InN 中可能存的金属铟，确认了 InN 超导不受酸处理的影响。 这证明了 InN 超导具有很好的化学稳定性，也扫清了 InN 超导应用 的最大障碍。另外，我们在 InN 的材料生长、器件制作、低温测量 等整个技术链中都有实际的经验。 应用领域： 本成果的应用 领域为超导单光子探测器。其原理非常简单：当一个光子落到超导 体上时，超导被破坏而产生电阻，从而被探测到。对于光来说, 光 能量的最小单位是一个光子, 这是由量子理论确定的量子极限. 因此光探测能力的极限就是单个光子探测。单光子探测器在量子信 息技术、物理、化学、生物和天文等领域具有不可替代的作用。 特 别是在量子信息领域, 单光子探测器已经成为该领域发展不可或 缺的核心关键器件。而太空望远镜等深空探测领域将是其下一个重要的应用领域。 产业前景: 现在的超导单光子探测器一般是 采用 NbN 材料，主要的原因还是 NbN 的综合性能好，即: 化学性质 稳定、机械性能好、超导温度合适(2K-20K 之间)。但是 NbN 材料 不是半导体材料，与主流半导体技术不兼容。 InN 作为 III-V 半 导体中唯一的同时具备超导体和半导体特点的材料，可以方便地与 其他半导体器件实现集成，可贵的是 InN 也具有上面提到的 NbN 超 导体的主要优点。在未来，在一个材料体系里实现半导体和超导体 的集成，可以大幅度降低超导单光子探测器的制作、使用成本。比 如 InN 超导探测器可以直接外延在 AlGaN/GaNHEMT 放大器上，使得 探测系统更加紧凑、可靠。
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