Technologie

Neue Nanostrukturen für die Quantenelektronik

21.10.2021 - Verknüpfung von Aluminium-Einkristallen und dem Halbleiter Germanium.

Ein neuartiges elektronisches Bauteil der TU Wien könnte ein wichtiger Schlüssel zur Ära der Quanten­informations­technologie sein: Durch ein spezielles Herstellungs­verfahren wird reines Germanium mit Aluminium so verbunden, dass atomar scharfe und glatte Grenzflächen entstehen. So erhält man eine monolithische Metall-Halbleiter-Metall-Hetero­struktur. Die Struktur ermöglicht einzig­artige Effekte, die besonders bei tiefen Temperaturen zu Tage treten. Das Aluminium wird supra­leitend – aber nicht nur das, diese Eigen­schaft wird auch auf den Germanium-Halbleiter über­tragen und kann sogar mit elek­trischen Feldern gezielt gesteuert werden.

Dadurch eignet sie sich ausgezeichnet für komplexe Anwendungen in der Quanten­technologie, etwa zur Verarbeitung von Quanten-Bits. Ein besonderer Vorteil: Man muss keine völlig neuen Technologien entwickeln, bereits etablierte Halbleiter­technik kann eingesetzt werden, um Germanium-basierte Quanten­elektronik zu ermöglichen. „Germanium ist ein Material, das in der Halbleiter­technik für die Entwicklung schnellerer und energieeffizienter Bauteile eine wichtige Rolle spielen kann“, sagt Masiar Sistani vom Institut für Festkörper­elektronik. Wenn man damit Bauteile auf Nanometer-Skala herstellen möchte, stößt man allerdings auf ein großes Problem: Es ist extrem schwierig, hochwertige elek­trische Kontakte herzustellen, weil bereits kleinste Verunreinigungen an den Kontaktstellen einen großen Einfluss auf die Bauelement­eigenschaften haben können. „Wir haben es uns daher zur Aufgabe gemacht eine neue, Herstellungs­methode zu entwickeln, welche definierte und repro­duzierbare Kontakt­eigenschaften ermöglicht“, sagt Masiar Sistani.

Der Schlüssel dazu ist die Temperatur: Wenn man nämlich nanometer-struk­turiertes Germanium und Aluminium zusammenfügt und dann erhitzt, beginnen die Atome beider Materialien ins Nachbar­material zu diffundieren – allerdings in sehr unter­schiedlichem Ausmaß: Die Germanium­atome bewegen sich rasch in das Aluminium, wohingegen Aluminium kaum in das Germanium ein­diffundiert. „Wenn man zwei Alu­minium-Kontakte mit einem dünnen Germanium-Nanodraht verbindet und die Temperatur auf 350 Grad Celsius erhöht, dann diffundieren die Germanium­atome am Rand des Nanodrahts ab. Dadurch entstehen Leerstellen, in die das Aluminium dann ganz leicht ein­dringen kann“, erklärt Sistani. „Am Ende besteht nur noch ein wenige Nanometer großer Bereich in der Mitte des Nanodrahts aus Germanium, der Rest wurde von Aluminium aufgefüllt.“

Normalerweise besteht Aluminium aus winzigen Kristall­körnchen, doch bei dieser neuartigen Herstellungs­methode bildet sich ein perfekter Einkristall, in dem alle Aluminium­atome höchst gleichmäßig angeordnet sind. Wie man unter dem Transmissions­elektronen­mikroskop sehen kann, ergibt sich ein perfekt sauberer und scharfer Übergang zwischen Germanium und Aluminium, ohne unge­ordneten Bereich dazwischen. Im Gegensatz zu herkömm­lichen Verfahren wo elektrische Kontakte etwa durch Verdampfen eines Metalls auf einen Halbleiter aufgebracht werden können sich hier auch keine Oxide an der Grenzschicht ausbilden.

Um die Eigenschaften dieser exotischen Hetero­struktur aus Germanium und Aluminium genau unter die Lupe zu nehmen, ging Masiar Sistani an die Universität Grenoble, wo er mit der Quantum-Engi­neering-Gruppe von Olivier Buisson zusammen­arbeitete. Dort zeigte sich, dass die neuartige Struktur wie erhofft ganz bemerkenswerte Eigenschaften hat: „Wir konnten nicht nur zum ersten Mal Supraleitung in reinem, undotierten Germanium nachweisen, wir konnten auch zeigen, dass man diese Struktur, mit Hilfe von elektrischen Feldern zwischen ganz unter­schiedlichen Betriebs­zuständen hin und her schalten kann“, berichtet Sistani. „Ein solches Ge-Quantenpunkt-Bau­element kann nicht nur supra­leitend, sondern auch völlig iso­lierend sein, oder es kann sich wie ein Josephson-Transistor verhalten, ein wichtiges Grundelement von Quanten-Elektronik-Schaltungen.“

Damit steht eine neue Technologie zur Verfügung, die eine ganze Reihe von Vorteilen miteinander verbindet: Die Struktur hat hervor­ragende physikalische Eigenschaften, die man für Quanten­technologien benötigt – etwa die hohe Ladungsträger­mobilität und die ausgezeichnete Manipulierbarkeit mit elektrischen Feldern, und zusätzlich hat sie den Vorteil, dass sie gut zu bereits etablierten Techno­logien der Mikro­elektronik passt: Germanium wird bereits in aktuellen Chip­architekturen verwendet und die zur Herstellung nötigen Temperaturen sind verträglich mit heute bereits eingesetzten Materialien. „Wir haben eine Struktur entwickelt, die nicht bloß theoretisch interessante Quanten­eigenschaften hat, sondern eine techno­logisch sehr realistische Möglichkeit eröffnet, weitere neuartige und energie­sparende Bauelemente zu ermöglichen“, sagt Sistani.

TU Wien / JOL

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