【儀表網 研發快訊】半導體二極管與晶體管是現代電子工業的基石，它們是構建超大規模集成電路的最基礎電子元件。半導體二極管常以P-N結或肖特基結為基礎，核心是其單向導通特性。在正向偏壓下時，P-N結處于導通狀態，允許電流通過，開啟電壓低；而在反向偏壓下，P-N結處于截止狀態，電流幾乎無法通過，反向擊穿電壓高。不同于半導體材料，超導體具有宏觀量子效應，電流可以無阻地流通超導體。由于超導體的超流特性，研制超導二極管似乎難以實現。直到2020年，日本京都大學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超導二極管現象[1]。此后，科研人員分別在不同的量子系統中實現了超導二級管效應或超導約瑟夫森結二極管[2]。然而這些超導二極管結構較為復雜，難以構建大規模超導集成電路，因此如何利用常規超導體結合成熟的半導體微納工藝技術研制穩定可靠的超導二極管是是超導電子學的研究熱點之一[3]。而在超導電子學最常用的s波超導體中，由于其各向同性的超導電性，難以研制具有單向導通特性的超導二極管。
 

　　近日，中國科學院上海微系統所尤立星、李浩團隊利用超導電流的擁堵效應(crowding effect)成功在超導納米線中實現了超導二極管效應。相關研究成果以《不對稱超導納米線中的二極管效應(Superconducting Diode Effect in a Constricted Nanowire)》為題，發表在Advanced Quantum Technologies上。
 

　　超導納米線是維度最低、宏觀尺寸最小的超導電子學元件，它有望構建具有高集成度的新型超導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量子器件。而在電流穩定流動的超導微納結構中，任意的空間尺寸擴張或收縮都將引起超導序參量的空間漲落，導致超導臨界電流的減小(電流擁堵效應)，因此通過在超導納米線上引入一個微小的收縮或擴張區域，即可構建出具有非互易電輸運特性的超導納米線二極管。超導納米線二極管的結構如圖1(a)所示，超導納米線采用超導電子學最常用的超導體之一: NbTiN超導薄膜。通過施加一個較小的外磁場，不對稱超導納米線即展現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. 超導納米線二極管的掃描電鏡圖。 b. 超導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。當給超導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的電壓信號。
 

圖2 超導納米線二極管的整流效應。
 

　　論文入選期刊當期的正文封面(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所張孝富、尤立星。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。