Een nieuwe elektronische component van de TU Wien (Wenen) zou een belangrijke sleutel kunnen zijn tot het tijdperk van de kwantuminformatietechnologie:met behulp van een speciaal productieproces, puur germanium is zo aan aluminium gebonden dat atomair scherpe grensvlakken worden gecreëerd. Dit resulteert in een zogenaamde monolithische metaal-halfgeleider-metaal heterostructuur.

Deze structuur vertoont unieke effecten die vooral duidelijk zijn bij lage temperaturen. Het aluminium wordt supergeleidend, maar niet alleen dat, deze eigenschap wordt ook overgedragen naar de aangrenzende germaniumhalfgeleider en kan specifiek worden bestuurd met elektrische velden. Dit maakt het uitstekend geschikt voor complexe toepassingen in de kwantumtechnologie, zoals het verwerken van kwantumbits. Een bijzonder voordeel is dat met deze aanpak, het is niet nodig om volledig nieuwe technologieën te ontwikkelen. In plaats daarvan, volwassen en gevestigde halfgeleiderfabricagetechnieken kunnen worden gebruikt om op germanium gebaseerde kwantumelektronica mogelijk te maken. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Germanium:moeilijk om hoogwaardige contacten te leggen

"Germanium is een materiaal waarvan wordt erkend dat het een belangrijke rol speelt in de halfgeleidertechnologie voor de ontwikkeling van snellere en energiezuinigere componenten, " zegt Dr. Masiar Sistani van het Institute for Solid State Electronics aan de TU Wien. "Echter, als men van plan is het te gebruiken om componenten op nanometerschaal te produceren, loop je tegen een groot probleem aan:het is buitengewoon moeilijk om elektrische contacten van hoge kwaliteit te maken, omdat zelfs de kleinste onzuiverheden op de contactpunten een grote impact kunnen hebben op de elektrische eigenschappen. We hebben ons daarom tot taak gesteld een nieuwe fabricagemethode te ontwikkelen die betrouwbare en reproduceerbare contacteigenschappen mogelijk maakt."

Reizende atomen

De sleutel hiervoor is temperatuur:wanneer nanometergestructureerd germanium en aluminium met elkaar in contact worden gebracht en verwarmd, de atomen van beide materialen beginnen te diffunderen in het aangrenzende materiaal - maar in zeer verschillende mate:de germaniumatomen bewegen snel in het aluminium, terwijl aluminium nauwelijks in het germanium diffundeert. "Dus, als je twee aluminium contacten aansluit op een dunne germanium nanodraad en de temperatuur verhoogt tot 350 graden Celsius, de germaniumatomen diffunderen vanaf de rand van de nanodraad. Hierdoor ontstaan ​​lege ruimtes waar het aluminium vervolgens makkelijk in kan dringen, " legt Masiar Sistani uit. "Uiteindelijk, slechts een paar nanometer gebied in het midden van de nanodraad bestaat uit germanium, de rest is opgevuld met aluminium."

Normaal gesproken, aluminium bestaande uit kleine kristalkorrels, maar deze nieuwe fabricagemethode vormt een perfect eenkristal waarin de aluminiumatomen in een uniform patroon zijn gerangschikt. Zoals te zien is onder de transmissie-elektronenmicroscoop, er ontstaat een perfect schone en atomair scherpe overgang tussen germanium en aluminium, zonder wanordelijk gebied ertussen. In tegenstelling tot conventionele methoden waarbij elektrische contacten op een halfgeleider worden aangebracht, bijvoorbeeld door een metaal te verdampen, er kunnen zich geen oxiden vormen op de grenslaag.

Haalbaarheidscontrole in Grenoble

Om de eigenschappen van deze monolithische metaal-halfgeleider heterostructuur van germanium en aluminium nader te bekijken, Masiar Sistani werkte samen met de kwantumengineeringgroep van prof. Olivier Buisson aan de Universiteit van Grenoble. Het bleek dat, de nieuwe structuur heeft inderdaad vrij opmerkelijke eigenschappen:"We waren niet alleen in staat om supergeleiding aan te tonen in pure, voor het eerst ongedoteerd germanium, we konden ook aantonen dat deze structuur kan worden geschakeld tussen heel verschillende bedrijfstoestanden met behulp van elektrische velden, " meldt Dr. Masiar Sistani. "Zo'n germanium-kwantumpuntapparaat kan niet alleen supergeleidend zijn, maar ook volledig isolerend, of het kan zich gedragen als een Josephson-transistor, een belangrijk basiselement van kwantumelektronische schakelingen."

Deze nieuwe heterostructuur combineert een hele reeks voordelen:de structuur heeft uitstekende fysieke eigenschappen die nodig zijn voor kwantumtechnologieën, zoals hoge draaggolfmobiliteit en uitstekende manipuleerbaarheid met elektrische velden, en het heeft het extra voordeel dat het goed past bij reeds gevestigde micro-elektronicatechnologieën:Germanium wordt al gebruikt in de huidige chiparchitecturen en de temperaturen die nodig zijn voor de vorming van heterostructuren zijn compatibel met volwassen halfgeleiderverwerkingsschema's. "We hebben een structuur ontwikkeld die niet alleen theoretisch interessante kwantumeigenschappen heeft, maar opent ook een technologisch zeer realistische mogelijkheid om nieuwe en energiebesparende apparaten mogelijk te maken, " zegt Dr. Masiar Sistani.