Un componente electrónico novedoso de TU Wien (Viena) podría ser una clave importante para la era de la tecnología de la información cuántica: mediante un proceso de fabricación personalizado, el germanio puro se une con aluminio de manera que se crean interfaces atómicamente nítidas. Esto da como resultado una heteroestructura denominada metal-semiconductor-metal monolítico
Esta estructura muestra efectos únicos que son particularmente evidentes a bajas temperaturas. El aluminio se vuelve superconductor, pero no solo eso, esta propiedad también se transfiere al semiconductor de germanio adyacente y se puede controlar específicamente con campos eléctricos. Esto lo hace excelentemente adecuado para aplicaciones complejas en tecnología cuántica, como el procesamiento de bits cuánticos. Una ventaja particular es que al utilizar este enfoque, no es necesario desarrollar tecnologías de fabricación completamente nuevas. En cambio, se pueden utilizar técnicas de fabricación de semiconductores bien establecidas para habilitar la electrónica cuántica basada en germanio. Los resultados se han publicado ahora en la revista Advanced Materials.
Germanio: difícil de formar contactos de alta calidad
«El germanio es un material que definitivamente jugará un papel importante en la tecnología de semiconductores para el desarrollo de componentes más rápidos y con mayor eficiencia energética», dice el Dr. Masiar Sistani del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de TU Wien. Sin embargo, si se utiliza para producir componentes a escala nanométrica, surgen problemas importantes: el material dificulta enormemente la producción de contactos eléctricos de alta calidad. Esto está relacionado con el alto impacto de incluso las impurezas más pequeñas en los puntos de contacto que alteran significativamente las propiedades eléctricas. «Por lo tanto, nos hemos propuesto la tarea de desarrollar un nuevo método de fabricación que permita propiedades de contacto fiables y reproducibles», dice Masiar Sistani.
Difusión de átomos
La clave es la temperatura: cuando el germanio y el aluminio con estructura nanométrica se ponen en contacto y se calientan, los átomos de ambos materiales comienzan a difundirse en el material vecino, pero en grados muy diferentes: los átomos de germanio se mueven rápidamente hacia el aluminio, mientras que el aluminio apenas se difunde en el germanio. «Por lo tanto, si conecta dos contactos de aluminio a un nanoalambre de germanio delgado y aumenta la temperatura a 350 grados Celsius, los átomos de germanio se difunden por el borde del nanoalambre. Esto crea espacios vacíos en los que el aluminio puede penetrar fácilmente», explica Masiar. Sistani. «Al final, solo un área de unos pocos nanómetros en el medio del nanoalambre consiste en germanio, el resto se ha llenado de aluminio».
Normalmente, el aluminio se compone de diminutos granos de cristal, pero este novedoso método de fabricación forma un monocristal perfecto en el que los átomos de aluminio están dispuestos en un patrón uniforme. Como puede verse bajo el microscopio electrónico de transmisión, se forma una transición perfectamente limpia y atómicamente aguda entre el germanio y el aluminio, sin ninguna región desordenada en el medio. A diferencia de los métodos convencionales en los que se aplican contactos eléctricos a un semiconductor, por ejemplo, evaporando un metal, no se pueden formar óxidos en la capa límite.
Transporte cuántico en Grenoble
Para profundizar en las propiedades de esta heteroestructura monolítica de metal-semiconductor de germanio y aluminio a baja temperatura, colaboramos con el Dr. Olivier Buisson y la Dra. Cécile Naud del grupo de circuitos de electrónica cuántica del Instituto Néel – CNRS- UGA en Grenoble. Resultó que la estructura novedosa tiene propiedades bastante notables: «No solo pudimos demostrar la superconductividad en germanio puro sin dopar por primera vez, sino que también pudimos demostrar que esta estructura se puede cambiar entre estados operativos bastante diferentes utilizando Un dispositivo de puntos cuánticos de germanio de este tipo no sólo puede ser superconductor sino también completamente aislante, o puede comportarse como un transistor Josephson, un elemento básico importante de los circuitos electrónicos cuánticos «, explica Masiar Sistani.
Esta nueva heteroestructura combina una amplia gama de ventajas: la estructura tiene excelentes propiedades físicas necesarias para las tecnologías cuánticas, como una alta movilidad del portador y una excelente manipulabilidad con campos eléctricos, y tiene la ventaja adicional de encajar bien con tecnologías microelectrónicas ya establecidas: el germanio es ya utilizado en las arquitecturas de chips actuales y las temperaturas requeridas para la formación de heteroestructura son compatibles con esquemas de procesamiento de semiconductores bien establecidos. Las nuevas estructuras no solo tienen propiedades cuánticas teóricamente interesantes, sino que también abren una posibilidad tecnológicamente muy realista de habilitar nuevos dispositivos novedosos y de ahorro de energía.
Fuente: la Universidad Tecnológica de Viena
