Nieuwe nanostructuur zou de sleutel kunnen zijn tot kwantumelektronica

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 wordt puur germanium op een manier met aluminium verbonden dat atomair scherpe interfaces 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 dat niet alleen, deze eigenschap wordt ook overgedragen naar de aangrenzende germaniumhalfgeleider en kan specifiek worden geregeld met elektrische velden. Dit maakt het uitstekend geschikt voor complexe toepassingen in de kwantumtechnologie, zoals het verwerken van kwantumbits. Een bijzonder voordeel is dat het met deze aanpak niet nodig is om volledig nieuwe technologieën te ontwikkelen. In plaats daarvan kunnen volwassen en gevestigde halfgeleiderfabricagetechnieken 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. “Als men echter van plan is 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, beginnen de atomen van beide materialen te diffunderen in het aangrenzende materiaal, maar in zeer verschillende mate: de germaniumatomen bewegen snel in het aluminium, terwijl aluminium diffundeert nauwelijks in het germanium. “Als je dus twee aluminium contacten op een dunne germanium-nanodraad aansluit en de temperatuur verhoogt tot 350 graden Celsius, diffunderen de germaniumatomen van de rand van de nanodraad. Dit creëert lege ruimtes waarin het aluminium vervolgens gemakkelijk kan doordringen”, legt Masiar uit. Sistani. “Uiteindelijk bestaat slechts een paar nanometergebied in het midden van de nanodraad uit germanium, de rest is opgevuld met aluminium.”

Normaal gesproken bestaat aluminium uit minuscule 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, wordt een perfect schone en atomair scherpe overgang gevormd tussen germanium en aluminium, zonder een verstoord gebied ertussen. In tegenstelling tot conventionele methoden waarbij elektrische contacten op een halfgeleider worden aangebracht, bijvoorbeeld door een metaal te verdampen, 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, werkte Masiar Sistani samen met de kwantumengineeringgroep van prof. Olivier Buisson aan de Universiteit van Grenoble. Het bleek dat de nieuwe structuur inderdaad behoorlijk opmerkelijke eigenschappen heeft: “We waren niet alleen in staat om voor het eerst supergeleiding in puur, ongedoteerd germanium aan te tonen, we waren ook in staat om aan te tonen dat deze structuur kan worden geschakeld tussen heel verschillende bedrijfstoestanden gebruik 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 fysische eigenschappen die nodig zijn voor kwantumtechnologieën, zoals hoge draaggolfmobiliteit en uitstekende manipuleerbaarheid met elektrische velden, en het heeft als bijkomend voordeel dat het goed past bij reeds gevestigde micro-elektronicatechnologieën: Germanium is die al worden 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 ook een technologisch zeer realistische mogelijkheid biedt om nieuwe en energiebesparende apparaten mogelijk te maken”, zegt Dr. Masiar Sistani.