Neuartiger elektronischer Baustein könnte wichtige Rolle in der Quantenelektronik spielen

Ein neuartiger elektronischer Baustein der TU Wien könnte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Quanteninformationstechnologie spielen. Durch einen maßgeschneiderten Fertigungsprozess wird reines Germanium mit Aluminium verbunden, um die Erstellung von atomar scharfen Grenzflächen zu ermöglichen.

Die Forschung, die diesen neuen Prozess beschreibt, wurde in Advanced Materials veröffentlicht.

Entwicklung des neuen Ansatzes

Das Ergebnis ist eine monolithische Metall-Halbleiter-Metall-Heterostruktur, die bei niedrigen Temperaturen einzigartige Effekte zeigt. Bei diesen niedrigen Temperaturen wird das Aluminium supraleitend, und diese Eigenschaft wird auf den angrenzenden Germanium-Halbleiter übertragen. Dies ermöglicht es auch, ihn spezifisch mit elektrischen Feldern zu steuern.

Diese Eigenschaften machen es besonders nützlich für komplexe Anwendungen in der Quantentechnologie. Insbesondere kann es zur Verarbeitung von Quantenbits verwendet werden. Der Ansatz erfordert nicht die Entwicklung völlig neuer Fertigungstechnologien, da bestehende Halbleiter-Fertigungstechniken verwendet werden können, um Germanium-basierte Quantenelektronik zu ermöglichen.

Dr. Masiar Sistani ist am Institut für Festkörper-Elektronik der TU Wien tätig.

“Germanium ist ein Material, das definitiv eine wichtige Rolle in der Halbleitertechnologie für die Entwicklung schnellerer und energieeffizienterer Komponenten spielen wird”, sagt Dr. Sistani.

Grenzfläche zwischen den beiden Materialien. (Bild: TU Wien)

Behandlung von Herausforderungen

Große Probleme entstehen, wenn es zur Herstellung von Komponenten im Nanomaßstab verwendet wird. Insbesondere bereitet das Material es schwierig, hochwertige elektrische Kontakte herzustellen, da die geringen Verunreinigungen an den Kontaktpunkten die elektrischen Eigenschaften erheblich verändern können.

“Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, eine neue Fertigungsmethode zu entwickeln, die zuverlässige und reproduzierbare Kontakteigenschaften ermöglicht”, sagt Dr. Sistani.

Der Schlüssel zu diesem Ansatz ist die Temperatur. Wenn nanometer-strukturiertes Germanium und Aluminium in Kontakt gebracht und erhitzt werden, beginnen die Atome beider Materialien, in das andere Material zu diffundieren. Dies geschieht jedoch in unterschiedlichem Ausmaß.

Germanium-Atome bewegen sich schnell in das Aluminium, während das Aluminium kaum diffundiert.

“Wenn man also zwei Aluminium-Kontakte mit einem dünnen Germanium-Nanodraht verbindet und die Temperatur auf 350 Grad Celsius erhöht, diffundieren die Germanium-Atome vom Rand des Nanodrahts. Dies schafft leere Räume, in die das Aluminium dann leicht eindringen kann”, sagt Dr. Sistani. “Am Ende besteht nur eine Fläche von wenigen Nanometern in der Mitte des Nanodrahts aus Germanium, der Rest ist mit Aluminium aufgefüllt.”

Die neue Fertigungsmethode bildet einen einzigen perfekten Kristall, in dem die Aluminium-Atome in einem einheitlichen Muster angeordnet sind. Dies unterscheidet sich von normalem Aluminium, das aus winzigen Kristallkörnern besteht. Dies ermöglicht einen atomar scharfen Übergang zwischen Germanium und Aluminium.

“Nicht nur konnten wir Supraleitung in reinem, undotiertem Germanium zum ersten Mal nachweisen, sondern wir konnten auch zeigen, dass diese Struktur durch elektrische Felder zwischen verschiedenen Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Ein solches Germanium-Quantenpunkt-Gerät kann nicht nur supraleitend sein, sondern auch völlig isolierend oder sich wie ein Josephson-Transistor verhalten, ein wichtiges Grundelement von Quanten-Elektronik-Schaltkreisen”, sagt Dr. Sistani.

Neben seinen theoretischen Anwendungen könnten diese neuartigen Strukturen einen großen Einfluss auf zukünftige Quanten-Geräte haben.