En ny elektronisk komponent från TU Wien (Wien) kan vara en viktig nyckel till kvantinformationsteknologins era:med hjälp av en speciell tillverkningsprocess, rent germanium binds med aluminium på ett sätt som gör att atomärt skarpa gränssnitt skapas. Detta resulterar i en så kallad monolitisk metall-halvledare-metall-heterostruktur.

Denna struktur visar unika effekter som är särskilt tydliga vid låga temperaturer. Aluminiumet blir supraledande – men inte bara det, denna egenskap överförs också till den intilliggande germaniumhalvledaren och kan specifikt styras med elektriska fält. Detta gör den utmärkt lämpad för komplexa tillämpningar inom kvantteknologi, såsom bearbetning av kvantbitar. En särskild fördel är att man använder detta tillvägagångssätt, det är inte nödvändigt att utveckla helt ny teknik. Istället, mogna och väletablerade halvledartillverkningstekniker kan användas för att möjliggöra germaniumbaserad kvantelektronik. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Avancerade material .

Germanium:svårt att bilda högkvalitativa kontakter

"Germanium är ett material som är erkänt att spela en viktig roll i halvledarteknik för utveckling av snabbare och mer energieffektiva komponenter, " säger Dr. Masiar Sistani från Institutet för Solid State Electronics vid TU Wien. "Men, om man avser att använda den för att tillverka komponenter i nanometerskala, du stöter på ett stort problem:det är extremt svårt att producera högkvalitativa elektriska kontakter, eftersom även de minsta föroreningarna vid kontaktpunkterna kan ha stor inverkan på de elektriska egenskaperna. Vi har därför satt oss i uppgift att utveckla en ny tillverkningsmetod som möjliggör pålitliga och reproducerbara kontaktegenskaper."

Resande atomer

Nyckeln till detta är temperaturen:när nanometerstrukturerat germanium och aluminium bringas i kontakt och värms upp, atomerna i båda materialen börjar diffundera in i det närliggande materialet - men i mycket olika utsträckning:germaniumatomerna rör sig snabbt in i aluminiumet, medan aluminium knappast diffunderar in i germanium alls. "Således, om du ansluter två aluminiumkontakter till en tunn germanium nanotråd och höjer temperaturen till 350 grader Celsius, germaniumatomerna diffunderar från kanten av nanotråden. Detta skapar tomma utrymmen som aluminiumet sedan lätt kan tränga in i, " förklarar Masiar Sistani. "Till slut, endast några nanometers yta i mitten av nanotråden består av germanium, resten har fyllts upp av aluminium."

I vanliga fall, aluminium som består av små kristallkorn, men denna nya tillverkningsmetod bildar en perfekt enkristall där aluminiumatomerna är ordnade i ett enhetligt mönster. Som kan ses under transmissionselektronmikroskopet, en perfekt ren och atomärt skarp övergång bildas mellan germanium och aluminium, utan någon oordnad region däremellan. I motsats till konventionella metoder där elektriska kontakter appliceras på en halvledare, till exempel genom att förånga en metall, inga oxider kan bildas vid gränsskiktet.

Genomförbarhetskontroll i Grenoble

För att ta en närmare titt på egenskaperna hos denna monolitiska metall-halvledarheterostruktur av germanium och aluminium, Masiar Sistani samarbetade med prof. Olivier Buissons kvantteknikgrupp vid universitetet i Grenoble. Det visade sig att, den nya strukturen har verkligen anmärkningsvärda egenskaper:"Vi kunde inte bara demonstrera supraledning i ren, odopat germanium för första gången, vi kunde också visa att denna struktur kan växlas mellan ganska olika drifttillstånd med hjälp av elektriska fält, " rapporterar Dr. Masiar Sistani. "En sådan germanium quantum dot enhet kan inte bara vara supraledande utan också fullständigt isolerande, eller så kan den bete sig som en Josephson-transistor, ett viktigt grundelement i kvantelektroniska kretsar."

Denna nya heterostruktur kombinerar en hel rad fördelar:Strukturen har utmärkta fysikaliska egenskaper som behövs för kvantteknik, som hög bärarmobilitet och utmärkt manipulerbarhet med elektriska fält, och det har den ytterligare fördelen att det passar väl med redan etablerade mikroelektronikteknologier:Germanium används redan i nuvarande chiparkitekturer och de temperaturer som krävs för heterostrukturbildning är kompatibla med mogna halvledarbearbetningsscheman. "Vi har utvecklat en struktur som inte bara har teoretiskt intressanta kvantegenskaper, men öppnar också för en tekniskt mycket realistisk möjlighet att möjliggöra ytterligare nya och energibesparande anordningar, " säger Dr Masiar Sistani.