Forschung: Gezielte Dotierung macht Halbleiter supraleitend
Für eine Reihe von Anwendungsfällen ist die Kombination von Halb- und Supraleitern nützlich oder gar erforderlich. Verfahren hierzu gibt es zwar, allerdings ist die Herstellung sauberer und gut funktionierender Übergänge damit schwierig. Ideal wäre es, wenn ein Halbleitermaterial beide Eigenschaften hätte. Forschern aus Australien, der Schweiz und den USA ist es gelungen, ein solches Material herzustellen(öffnet im neuen Fenster) .
Die Gruppe dotierte Germanium, das in bestimmten Halbleiterprozessen etabliert ist, mit einer großen Menge an Gallium. Neu ist die Idee nicht, doch die Forscher setzten mit Molekularstrahlepitaxie auf ein anderes Verfahren. Hierdurch erreichten sie, dass Galliumatome Germaniumatome im Kristallgitter ersetzen, anstatt sich zwischen ihnen anzuordnen.
Das Verfahren ergibt zudem im Gegensatz zu anderen Fertigungstechniken sehr ebene und sauber getrennte Schichten.
Wird Gallium unkontrolliert in das umgebende Kristallgitter eingebracht, zerstört es dessen räumliche Struktur und somit auch die Bandstruktur des Halbleiters. Ersetzt Gallium hingegen Halbleiteratome, bleiben die Band- und Kristallstruktur nahezu unverändert. Die hohe Dotierung – bis zu 17,9 Prozent der Germaniumatome ersetzten die Forscher durch Gallium – ermöglicht die Entstehung von Cooper-Paaren. Mit deren Entstehung wird Supraleitung im Rahmen der BCS-Theorie(öffnet im neuen Fenster) erklärt. Der Dotierungsprozess kann über die Flussrate der Materialien gesteuert werden.
Tausende Qubits pro Quadratmillimeter?
Im Gegensatz zu anderen Materialien hat das hochdotierte Germanium mehrere Vorteile. Zunächst kann es problemlos in einem Halbleiterprozess verarbeitet werden, der darüber hinaus auch für Silizium geeignet ist. Das zeigen die Forscher mit einer Siliziumsperrschicht in gefertigten Josephson-Kontakten : eine kleine, nicht supraleitende Unterbrechung zwischen zwei supraleitenden Elementen.
Josephson-Kontakte machen die Kombination aus Halb- und Supraleiter interessant: Damit lassen sich extrem genaue Magnetfeldsensoren bauen und Qubits für Quantencomputer realisieren. Die Kontakte können mit dem neuen Verfahren außerdem vertikal hergestellt werden, da die unterschiedlichen Materialien schichtweise aufgewachsen werden.
Die Forscher halten Qubits aus Josephson-Kontakten mit einer Grundfläche von 100 μm 2 für machbar. Die Supraleitung setzt allerdings erst bei 3,5 K ein, auf Basis von hochdotiertem Germanium gefertigte Supraleiter müssen also aufwendig gekühlt werden.
Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Nanotechnology(öffnet im neuen Fenster) publziert, ein Preprint gibt es bei Arxiv(öffnet im neuen Fenster) .