澳大利亚昆士兰大学与美国纽约大学的研究人员在掺镓外延锗中成功实现了超导性，他们利用现有的半导体制造设备和技术，在2英寸晶圆上制备出数百万个超导结。这一突破性进展基于标准的芯片制造技术，理论上可与现有晶圆代工厂流程兼容。研究表明，经过调控的锗薄膜在3.5K温度下展现出超导性，并能形成高密度的约瑟夫森结阵列，这是量子和低温射频电路的关键组成部分。该技术通过精确嵌入镓原子诱导锗的超导性，为开发可扩展型量子器件、低功耗低温电子设备及高灵敏度传感器提供了新途径，标志着超导体制造工艺向晶圆级集成迈出了重要一步。
🔬 **锗材料实现超导性**：研究人员利用掺镓外延技术，在锗半导体中成功诱导出了超导性。通过精确控制镓的掺杂浓度和晶体结构，使得锗在低温下（约3.5K）能够实现零电阻导电，为开发新型电子器件奠定了基础。
🛠️ **兼容现有半导体工艺**：本次研究的核心在于采用了行业已有的标准芯片制造技术和外延技术，包括化合物半导体和CMOS生产技术。这意味着该成果理论上能够与现有的晶圆代工厂工作流程无缝集成，为大规模生产和商业化应用提供了可行性。
💡 **为量子计算和低温电子设备开辟新途径**：在锗中实现超导性，为基于现有半导体工艺开发可扩展的量子器件，如量子比特阵列和低温射频电路，提供了重要支撑。同时，也为开发低功耗低温电子设备和高灵敏度传感器带来了新的可能性。
📈 **迈向晶圆级集成的重要一步**：该成果标志着超导体制造工艺从实验室小批量生产，向在半导体衬底上进行可扩展的晶圆级集成迈出了关键一步。这有助于解决此前在硅和锗等半导体中实现超导性所面临的挑战，如晶体结构破坏和稳定性问题。
🔍 **深入理解IV族半导体物理性质**：通过本次研究，不仅实现了锗的超导性，也加深了对IV族半导体（如硅和锗）物理性质的理解。揭示了通过掺杂和结构调控可以改变这些材料的电子特性，从而拓展其应用范围。
2025-11-03 20:35 北京
近日，来自澳大利亚昆士兰大学和美国纽约大学的研究人员利用行业已有的半导体制造设备，在掺镓外延锗中实现了超导性。他们基于行业已有的标准芯片制造技术制备出了超导锗半导体材料，所打造的原型产品在 2 英寸晶圆上拥有数百万个超导结。
（来源：Patrick Strohbeen / NYU)）在掺杂锗薄膜的生长上，研究人员使用与化合物半导体和低温互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）生产相同的外延技术，因此本次成果理论上也能和已有的晶圆代工厂工作流程互相兼容。在锗中实现超导，将能为基于当前半导体工艺来开发可扩展型量子器件开辟新道路。同时，这一成果提升了人们对于 IV 族半导体物理性质的理解，也挖掘出了将它们用于低功耗低温电子设备和高灵敏度传感器的可能。这一成果标志着超导体制造工艺从小批量的层状超导体向着在半导体衬底上进行可扩展的晶圆级集成迈出了重要一步，相关论文发表于 Nature Nanotechnology。
图 | 相关论文（来源：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02042-8）轻微变形之后材料仍能保持稳定本次研究人员所制备的具有超导性的锗材料，既能在零电阻状态下导电，也能让电流无损耗低持续流动。对于预期镓掺杂浓度为 17.9% 薄膜，在 3.5K 即大约-269.7℃的温度条件下，经过调控的锗薄膜展现出了超导性，并且可以构建高密度的晶圆级约瑟夫森结阵列，据了解这种阵列是量子和低温射频电路的重要组成部分。超导结能在低温下进行电学表征，这让其超导特性得到证实，也说明其具备可被用于器件集成的实用电流密度。结合第一性原理计算结果，本次研究证明镓掺杂剂的结构有序性形成了窄带，从而促成了锗中的超导现象，由此证明超掺杂的镓：锗可被作为一种低无序的、外延型超导-半导体平台。
事实上，在正常条件下锗本身并不具备超导能力，但是研究人员通过改变其晶体结构，诱导出了能够支持电子配对的能带结构，进而实现了超导。在分子束外延技术的帮助之下，研究人员将镓原子精确地嵌入锗的晶格之中，借此实现了高浓度的掺杂，进而获得了高度有序的晶格结构。虽然掺杂导致晶格发生了轻微变形，但是材料仍能保持稳定。当掺杂浓度足够高的时候，薄膜会发生体超导转变。更重要的是，界面会保持在外延状态，并且不存在无序的中间层，因此不会给混合堆叠结构的性能带来影响。通过使用分子束外延技术生长镓掺杂的锗薄膜，能够更好地控制薄膜生长过程中的寄生加热，从而能够形成平滑的镓吸附原子浮动层，这促进了锗的低温生长，保持了其表面光滑性和单晶性。而通过重新配置生长腔室和优化生长温度，研究人员在表面形貌、原子有序性和畴结构方面获得了巨大改进。其还通过生长三层异质结构，来针对垂直约瑟夫森结器件架构进行原理验证，借此改进了材料质量，缓解了与典型非晶氧化物隧道结相关的材料无序性问题。（来源：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02042-8）有望为量子互连提供切实可行的路径多年来，让半导体材料具备超导特性是学界一直希望实现的目标之一，因为只有实现这一目标才能提升芯片和电池的运行速度和能源效率，从而推动量子技术的发展。但在此前，人们很难在硅和锗等半导体中实现超导性。在元素周期表中，锗和硅属于同一主族，它们都是半导体材料，在化学性质上也非常接近，并均已被用于光纤和计算机芯片。要想让锗和硅拥有超导性，关键在于引入足够多的导电电子，只有这样才能在低温下形成配对并进行协同运动，从而消除电阻。之前，当进行高浓度的掺杂时，晶体往往会被破坏，以至于难以获得稳定的超导态。同时，对于超导量子比特阵列和低温微波前端来说，需要基于它们执行复杂的封装步骤，只有这样才能将半导体控制逻辑与超导互连集成在一起。而研究人员所使用的结制备工艺具有较好的均匀性，能够在大面积范围之内实现高度一致的临界电流密度。眼下，研究人员已将探索重点转向更大尺寸的晶圆、跨制造节点的可重复性以及超导锗薄膜与传统晶圆逻辑器件之间的耦合。如果能够证明可行性，将有望为量子互连提供一条切实可行的路径。参考资料：相关论文 https://www.nature.com/articles/s41565-025-02042-8其他报道 https://mp.weixin.qq.com/s/wCgcCgqDyrEwN2GBQxlwiA?click_id=14https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/researchers-create-superconductive-锗 rmanium-using-standard-chip-fabrication-techniques运营/排版：何晨龙01/中国“人造太阳”核心材料不再受制于人，金属所打造吨级高纯净C276合金，助力2030聚变能发电
02/ 无需训练一键调用超600种工具，哈佛MIT打造AI科学家的“Linux操作系统”，让大模型秒变专家自主做实验
03/ 超声驱动机器人登Nature！中国学者用上万个微气泡造出“魔法肌肉”，用声波让机器人动起来
04/ 对话微软AI CEO：当AI越来越像人，我选择踩刹车
05/ 对话新晋诺奖得主马丁尼斯：穷毕生之力追求更好的量子计算，花甲之年从谷歌离职投身量子创业
阅读原文
跳转微信打开
