Новая наноструктура может стать ключом к квантовой электронике

Чрезвычайно точный интерфейс между двумя материалами. 

Это приводит к так называемой монолитной гетероструктуре металл-полупроводник-металл.

Эта структура демонстрирует уникальные эффекты, которые особенно заметны при низких температурах. Алюминий становится сверхпроводящим – но не только это, это свойство также передается соседнему германиевому полупроводнику, и им можно специально управлять с помощью электрических полей. Это делает его превосходно подходящим для сложных приложений в квантовой технологии, таких как обработка квантовых битов. Особым преимуществом является то, что при таком подходе нет необходимости разрабатывать совершенно новые технологии.

Вместо этого для создания квантовой электроники на основе германия можно использовать зрелые и хорошо зарекомендовавшие себя технологии изготовления полупроводников.

Германий: сложно установить качественные контакты

«Германий – это материал, который, как известно, играет важную роль в полупроводниковой технологии для разработки более быстрых и энергоэффективных компонентов», – говорит д-р Масиар Систани из Института твердотельной электроники в TU Wien. «Однако, если кто-то намеревается использовать его для производства компонентов в нанометровом масштабе, вы столкнетесь с серьезной проблемой: чрезвычайно сложно производить высококачественные электрические контакты, потому что даже самые мелкие примеси в точках контакта могут иметь большое влияние. по электрическим свойствам. Поэтому мы поставили перед собой задачу разработать новый метод производства, обеспечивающий надежные и воспроизводимые свойства контактов ».

Путешествующие атомы

Ключом к этому является температура: когда германий и алюминий нанометровой структуры вступают в контакт и нагреваются, атомы обоих материалов начинают диффундировать в соседний материал, но в очень разной степени: атомы германия быстро перемещаются в алюминий, тогда как алюминий практически не диффундирует в германий. «Таким образом, если вы подключите два алюминиевых контакта к тонкой германиевой нанопроволоке и поднимете температуру до 350 градусов по Цельсию, атомы германия диффундируют от края нанопроволоки. Это создает пустые пространства, в которые легко проникает алюминий », – объясняет Масиар Систани. «В конце концов, только область в несколько нанометров в середине нанопроволоки состоит из германия, остальная часть заполнена алюминием».

Обычно алюминий состоит из крошечных кристаллических зерен, но этот новый метод изготовления формирует идеальный монокристалл, в котором атомы алюминия расположены в однородном узоре. Как можно увидеть под просвечивающим электронным микроскопом, между германием и алюминием образуется идеально чистый и атомарно резкий переход без неупорядоченной области между ними. В отличие от традиционных методов, в которых электрические контакты прикладываются к полупроводнику, например, путем испарения металла, в пограничном слое не могут образовываться оксиды.

Технико-экономическое обоснование в Гренобле

Чтобы ближе познакомиться со свойствами этой монолитной металл-полупроводниковой гетероструктуры из германия и алюминия, Масиар Систани сотрудничал с группой квантовой инженерии профессора Оливье Бюиссона в Университете Гренобля. Оказалось, что новая структура действительно обладает весьма примечательными свойствами:

«Мы не только смогли впервые продемонстрировать сверхпроводимость в чистом нелегированном германии, мы также смогли показать, что эту структуру можно переключать между совершенно разными рабочими состояниями с помощью электрических полей», – сообщает доктор Масиар Систани. «Такое устройство с германиевыми квантовыми точками может быть не только сверхпроводящим, но и полностью изолирующим, или оно может вести себя как джозефсоновский транзистор, важный базовый элемент квантовых электронных схем».

Эта новая гетероструктура сочетает в себе целый ряд преимуществ: структура обладает превосходными физическими свойствами, необходимыми для квантовых технологий, такими как высокая подвижность носителей и отличная управляемость электрическими полями, а также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что она хорошо сочетается с уже известными технологиями микроэлектроники: германий является уже используемые в современных архитектурах микросхем, а температуры, необходимые для формирования гетероструктуры, совместимы со зрелыми схемами обработки полупроводников.

«Мы разработали структуру, которая не только обладает теоретически интересными квантовыми свойствами, но также открывает технологически очень реалистичную возможность создания новых и энергосберегающих устройств», – говорит доктор Масиар Систани.