Flip-Chip-Kontaktierung für Quanten-Hall-Widerstandsnormale aus Graphen

Ein neuer Ansatz zur Entwicklung stabiler graphenbasierter Quantenwiderstandsnormale verfolgt die Anwendung eines Flip-Chip-Verfahrens zur Probenkontaktierung, welches ohne Bonddrähte auskommt. Erwartete Vorteile gegenüber der herkömmlichen Drahtkontaktierung umfassen neben erhöhter Kompaktheit und Kontaktierungsgenauigkeit auch Möglichkeiten zur elektrischen Abschirmung der Proben sowie deren Kapselung gegen Umgebungseinflüsse.

Dies verspricht zum einen eine verbesserte zeitliche Stabilität der Probeneigenschaften, also die Erhaltung der Eignung für den Einsatz als Quantenwiderstandsnormale über Jahre hinweg, und zum anderen potenziell bessere Eigenschaften im Wechselstromeinsatz durch die Möglichkeit verbesserter elektrischer Abschirmung. Erste Ergebnisse der nun zum Patent angemeldeten Technologie sind vielversprechend.

Im Vergleich mit herkömmlichen Quantenwiderstandsnormalen aus GaAs-Heterostrukturen ermöglicht das Material Graphen die Darstellung des Quanten-Hall-Effekts bei höheren Temperaturen und niedrigeren Magnetfeldern, was den praktischen Einsatz erheblich vereinfacht. Die Langzeitstabilität der elektronischen Eigenschaften und damit die Zuverlässigkeit von Graphen-Schaltungen sind entscheidende Faktoren für deren zukünftigen metrologischen Einsatz als Widerstandsnormale.

Bisherige technologische Ansätze zur Verbesserung der Langzeitstabilität von graphenbasierten Quantenwiderstandsnormalen fokussierten sich hauptsächlich auf Polymerbeschichtungen zur Abschirmung von Umgebungseinflüssen. Die Anwendbarkeit dieser Methoden ist jedoch durch die eingeschränkte Diffusionsdichtigkeit der Polymerschichten und durch Nachteile der Drahtkontaktierungen begrenzt.

Das neue, zum Patent angemeldete Verfahren überwindet diese Hürden durch Anwendung einer Flip-Chip-Kontakttechnologie. Die damit mögliche Realisierung elektrischer Kontakte ohne mechanisch empfindliche Bonddrähte eliminiert mögliche Störungen durch vibrierende Kontaktdrähte und bietet − in Kombination mit geeigneten Epoxidharzen − zugleich Möglichkeiten zur verbesserten Abschirmung des Graphens gegen Umwelteinflüsse. Zudem eröffnet sich die Möglichkeit, zusätzliche elektrische Flächenelektroden in unmittelbarer Nähe der Probe zu integrieren. Diese können als aktiv angesteuerte Schirmelektroden betrieben werden, wodurch sich die Eignung für den Wechselstrombetrieb der Proben (beispielsweise für den Einsatz als Impedanznormal) wesentlich verbessen lässt.

Erste vielversprechende Untersuchungen der PTB weisen auf eine deutliche Verbesserung der Langzeitstabilität der elektronischen Eigenschaften hin, die eine Nutzung von graphenbasierten Quanten-Widerstandsnormalen über mehrere Jahre ermöglichen kann.

Bild a) Aufsicht auf einen graphenbasierten Quanten-Hall-Widerstand mit aufgebrachter Epoxid-Diffusionsbarriere, montiert auf einem TO-8 Probenhalter. b) Schaltung im Probenhalter mit zusätzlich aufgesetzter Steckplatine oberhalb der Schaltung. Die Steckplatine dient hier als Schutzkappe, kann aber zusätzlich mit Abschirm- bzw. Steuerelektroden für verbesserten Wechselstrombetrieb der Probe versehen werden.

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“

Ansprechpartnerin / Ansprechpartner: Mattias Kruskopf

Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“