近期一組由澳洲主導的國際研究團隊，成功將半導體材料「鍺」轉變成超導體材料。這發現為可擴展、節能的量子裝置的研發鋪平道路，且有望將與晶片相關的科技產業提升至全新階段。

矽與鍺金屬（Ge）是現代晶片和太陽能電池的重要基石，若能賦予這些材料超導能力，其運行速度和效率都將大大提高。其中IV族金屬元素的超導性，一直是重要研究對象，因為它們在超導量子位元、低溫互補金屬氧化物半導體（CMOS）控制電路的應用中極具潛力。

雖然鍺材料擁有高電洞遷移率且易於加工，但要將其轉化為超導體仍然存在諸多挑戰。先前科學家嘗試用多種技術，希望它能夠成為超導體，卻面臨結構無序、摻雜劑團聚、界面不連貫以及層厚控制不佳等問題，導致電子無法自由移動成為超導體。

這次，由澳洲昆士蘭大學（University of Queensland）主導與美國紐約大學（New York University）、俄亥俄州立大學（Ohio State University）以及蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）組成研究團隊，利用「分子束外延技術」（MBE）成功克服這個問題，使鍺變成高質量的低溫超導體。

研究團隊介紹，鍺和矽都具有類鑽石晶體結構，它們介於金屬和絕緣體之間，佔據著獨特的地位，而它們的多功能性和耐久性，變成現代製造業的核心材料，業界會使用摻雜技術改變半導體的電氣性能，但多數效果不佳且阻止超導性的產生。

為了使這類元素具有超導性，研究人員拋去傳統的離子注入法，改用分子束外延技術。過程中，他們透過精準的生長溫度（100～150°C）和原子通量，讓表面形成的鎵原子浮動層促進鍺原子低溫生長，讓鎵原子可以有效、穩定地取代部份鍺原子，以此有效保證了薄膜表面的平整度和單晶的結晶性質。

他們透過儀器觀察這些薄膜中的鎵取代情況。結果顯示，高達17.9%的鍺原子被鎵取代。該結果超出標準的固溶度極限，達到「超摻雜」的範疇，代表他們成功製備出高品質、摻雜了大量鎵的鍺薄膜（Ga:Ge）。

除了單層薄膜之外，研究團隊還使用類似三文治結構，讓兩層厚度只有幾納米（nm）的Ga:Ge薄膜，夾入一層幾納米大小的矽（Si）層，以此模擬垂直約瑟夫森（Josephson Junction）結構，這種結構的超導體能在溫度3.5K（約−270℃）情況下，達到零電阻狀態。

此外，該方法也能將原本的矽層替換成鍺金屬層，且元件依然穩定運行，並在2K（約−271℃）時達到零電阻狀態。這兩者證明該工藝，能夠精確控制納米級厚度與界面質量。

研究人員透過多種儀器和電子顯微鏡觀察發現，雖然鎵成功取代了鍺原子會使晶體略微變形，但整體結構依然保持穩定。

對此，研究人員表示，只要改變晶體結構，就可以讓原本在常態下不具超導性的IV族元素，形成電子配對達到超導特性。這項研究成果不僅解決了長期以來關於鍺無法成為超導材料的爭議，也為可擴展、節能量子裝置、低溫電子元件的研發鋪平了道路。

紐約大學物理學家Javad Shabani解釋，「鍺金屬已廣泛用於電腦晶片和光纖上，若在鍺中能實現超導特性，有望徹底改寫許多消費品和工業技術。」

昆士蘭大學物理學家Peter Jacobson則補充，「這些材料有望成為未來量子電路、感測器和低功耗低溫電子裝置的基礎，這些都需要超導區和半導體區之間具有清晰的介面。」

他接著說，「鍺已經是先進半導體技術的主要材料，因此透過證明它在可控生長條件下也能實現超導性。這個實驗結果有望製造出可擴展的、可直接用於代工生產的量子裝置。」

昆士蘭大學物理學家、該研究的合著者Julian Steele表示，「我們沒有採用離子注入法，而是採用分子束外延技術將鎵原子精確的摻入鍺晶格裏。該技術就像在晶格裏面生長一層薄晶體層，能夠精準控制結構精度和性能，使其擁有超導性。」

這項研究獲得了美國空軍科學研究辦公室（FA9550-21-1-0338）的部份資助，並標誌著超導特性融入電子材料的技術邁出重要一步，有望重塑未來的運算與量子技術。該究成果於10月底發表在著名期刊《自然》（Nature）上。#

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