Wie Halbleiterchips fit werden für tiefe Temperaturen und das Steuern von Qubits

Wenn die Quantencomputer kommen, brauchen wir die herkömmlichen Chips nicht mehr. Richtig? Schön wärs! Das Gegenteil ist der Fall. Und die Chiptechnik entwickelt sich auch deshalb weiter, weil Halbleiter- und Quantenchips, die Qubits, zusammenarbeiten müssen. Und das ist ganz schön trickig. „Die Relevanz von Quantentechnologien nimmt immer mehr zu. Diese brauchen jedoch nach wie vor klassische Elektronik, etwa um die Quantensysteme zu steuern oder auszulesen“, weiß Halbleiterspezialist Masiar Sistani von der Forschungsgruppe für nanoelektronische Bauteile der TU Wien.

Wenn beide Technologien eng zusammenarbeiten, dann kann das bedeuten, dass herkömmliche Transistoren auf Halbleiterchips direkt neben ultrakalten Qubits arbeiten müssen. Dafür sind sie aber in der Regel nicht ausgelegt. „Dort versagt die herkömmliche Dotierungstechnologie häufig“, erklärt Sistani. Man spreche dann vom „Ausfrieren“ der Ladungsträger.

Dotierung meint, dass in die Hablleiterkristalle des Chips gezielt bestimmte andere Atome hineingebracht werden. Die sind ganz wichtig, weil diese erst die elektrischen Eigenschaften des Chips für bestimmte Anwendungen bestimmen. Wird es aber zu kalt, funktioniert der Chip nicht mehr wie gewünscht. Sistani und zwei Forschungskollegen haben jetzt eine Methode entwickelt, die diese Probleme umgeht.

TU Wien: Wie man einen Halbleiterchip fit macht für tiefe Temperaturen

Konkret haben sich Sistani und seine Kollegen mit einem Transistor – das ist der Grundbaustein, aus dem die Chips aufgebaut sind – beschäftigt, der aus den beiden halbleitenden Materialien Silizium (Si) und Germanium (Ge) aufgebaut ist. Der entscheidende Trick liegt in der Oxidschicht, die den SiGe-Halbleiterkristall isoliert: Nicht der Halbleiter, sondern die Oxidschicht wird dotiert. Walter Weber, der die Forschungsgruppe für nanoelektronische Bauteile an der TU Wien leitet, spricht von der sogenannten Modulations-Akzeptor-Dotierung (MAD).

„Dabei werden die Eigenschaften des Halbleiters durch Fernkopplung eingestellt“, so Weber. Mithilfe von MAD könne die Oxidschicht die Leitfähigkeit des Halbleiters verbessern, ohne dass man im Kristall selbst Fremdatome einbauen müsse. Das sei ähnlich wie ein Magnet, der auch durch andere Materialien hindurch wirken könne: Eine Veränderung der Oxidschicht könne seine Wirkung im Halbleitermaterial aus der Ferne entfalten, auch wenn dieses Material selbst nicht dotiert wird.

Warum die klassische Dotierung von Halbleitern versagt

Wie gesagt: Bisher werden die Halbleitermaterialien selbst dotiert. Man nehme Silizium oder Germanium, fügt gezielt eine kleine Menge von Fremdatomen hinzu. Dadurch verändern sich die elektronischen Eigenschaften des Materials völlig: Elektrisch geladene Teilchen bewegen sich nämlich durch die Datierung im Halbleiter anders als vorher. Nur: Elektronische Bauteile und damit die Chips müssen immer kleiner werden. „Bei Bauteilen im Nanometerbereich stößt man mit dieser Methode jedoch zunehmend an Grenzen“, erklärt Andreas Fuchsberger vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Je kleiner der Transistor, desto stärker wirken sich zufällige Schwankungen bei der Dotierung aus.“

Da Mikroelektronik auf der Verschaltung vieler Millionen bis Milliarden Transistoren basiert, führt das zu immer größeren Herausforderungen. Und dann wirkt sich auch die Temperaturabhängigkeit der Materialien immer stärker aus. Zu heiß dürfen elektronische Bauteile ohnehin nicht werden – daher werden Rechenzenteren, in denen Chips dicht gedrängt Hochleistung verrichten, massiv gekühlt. Aber auch zu kalte Temperaturen sind schlecht. Elektrisch leiten heißt nämlich, dass sich im Hablleiter Ladungsträger bewegen. Frieren die quasi fest, wird auch nichts mehr geleitet.

TU Wien entwickelte erstmals einen funktionieren SiGe-Halbleiter mit MAD-Technik

Experimente mit dieser MAD-Technik gab es zwar bereits bei sogenannten Gruppe-III-V-Verbindungshalbleitern und in Silizium, so die TU-Wien in einer Mitteilung. Doch die Forschungsgruppe der TU Wien in Kooperation mit der Bergakademie Freiberg und der Johannes Kepler Universität Linz sei nach eigenen Angaben die erste, der es gelang, diesen Effekt auf dem wichtigen Halbleiter Silizium-Germanium nachzuweisen und darüber hinaus auf diese Weise einen funktionsfähigen SiGe-Transistor herzustellen.

Das sei vor allem industrierelevant, denn die Branche möchte den Ge-Anteil in Transistoren stetig zu erhöhen, um schnellere Schaltzeiten und einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen.  In Quantenchips könnten darüber hinaus Quanteninformationen schneller und mit niedrigeren Energieverlusten verarbeitet werden.  Die Messergebnisse seien äußerst vielversprechend, so Sistani: „Wir konnten zeigen, dass die MAD-Technologie eine über 4000-fach erhöhte Leitfähigkeit, ein verbessertes Einschaltverhalten und einen geringeren Energieverbrauch aufweist. Das kann den Weg für eine neue Generation vielfältig einsetzbarer Nanotransistoren ebnen.“

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