新的纳米结构可能是量子电子学的关键

来自 TU Wien(维也纳)的新型电子元件可能是量子信息技术时代的重要关键：使用特殊的制造工艺，纯锗与铝结合，形成原子级锐利的界面。这导致所谓的单片金属-半导体-金属异质结构。

这种结构表现出独特的效果，在低温下尤为明显。铝变得超导——但不仅如此，这种特性还会转移到相邻的锗半导体上，并且可以通过电场进行专门控制。这使其非常适合量子技术中的复杂应用，例如处理量子位。一个特别的优势是使用这种方法，没有必要开发全新的技术。相反，可以使用成熟且完善的半导体制造技术来实现基于锗的量子电子学。结果现已发表在《先进材料》杂志上。

锗：难以形成高质量的触点

“锗是一种公认​​的材料，它在半导体技术中发挥着重要作用，可用于开发更快、更节能的组件，”维也纳工业大学固态电子研究所的 Masiar Sistani 博士说。“然而，如果有人打算用它来生产纳米级的组件，你会遇到一个主要问题：生产高质量的电触点极其困难，因为即使是触点上最小的杂质也会产生重大影响在电气性能。因此，我们已为自己制定一个新的制造方法，使可靠和可重复的接触特性的任务“。

旅行原子

关键是温度：当纳米结构的锗和铝接触并加热时，两种材料的原子开始扩散到相邻的材料中——但扩散程度非常不同：锗原子迅速移动到铝中，而铝几乎不扩散到锗中。“因此，如果你将两个铝触点连接到一根细的锗纳米线并将温度升高到 350 摄氏度，锗原子就会从纳米线的边缘扩散。这会产生空的空间，然后铝可以很容易地渗透进去，”马西尔解释说西斯塔尼。“最终，纳米线中间只有几纳米区域由锗组成，其余部分已被铝填充。”

通常，铝由微小的晶粒组成，但这种新颖的制造方法形成了完美的单晶，其中铝原子以均匀的图案排列。在透射电子显微镜下可以看到，锗和铝之间形成了完美干净且原子级锐利的过渡，两者之间没有无序区域。与将电触点应用于半导体的传统方法相比，例如通过蒸发金属，在边界层不会形成氧化物。

格勒诺布尔的可行性检查

为了更仔细地研究这种由锗和铝构成的单片金属半导体异质结构的特性，Masiar Sistani 与格勒诺布尔大学 Olivier Buisson 教授的量子工程小组合作。事实证明，这种新型结构确实具有相当显着的特性：“我们不仅首次证明了纯锗的超导性，而且我们还证明了这种结构可以在完全不同的工作状态之间切换。使用电场，”Masiar Sistani 博士报告说。“这样的锗量子点器件不仅可以超导而且可以完全绝缘，或者它可以像约瑟夫森晶体管一样工作，这是量子电子电路的重要基本元件。”

这种新的异质结构结合了一系列优点：该结构具有量子技术所需的优异物理特性，例如高载流子迁移率和出色的电场可操纵性，并且具有与已经建立的微电子技术良好配合的额外优势：锗是已在当前芯片架构中使用的温度以及异质结构形成所需的温度与成熟的半导体加工方案兼容。“我们开发了一种结构，它不仅具有理论上有趣的量子特性，而且在技术上开辟了一种非常现实的可能性，可以实现进一步的新型节​​能设备，”Masiar Sistani 博士说。

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