Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Kontrollierte Kleinserienfertigung von Einzelelektronenpumpen für ein Quantenstromnormal

30.11.2021

An der PTB wurde eine Kleinserienfertigung von GaAs-basierten Einzelelektronenpumpen zur Realisierung eines Quantennormals für kleinste Stromstärken im Bereich von 100 pA entwickelt. Die so hergestellten Bauelemente wurden erfolgreich im Hinblick auf hohe Fertigungsausbeute und fehlerfreie Funktionsweise getestet.

 

 

 

Der getaktete Transport einzelner Elektronen (Elementarladung e) mit der Wiederholfrequenz f ermöglicht die direkte Realisierung eines Quantennormals für die elektrische Stromstärke gemäß I = e x f. Ein solches Quantenstromnormal kann beispielsweise durch einen Quantenpunkt mit modulierbaren Tunnelbarrieren, eine sogenannte Einzelelektronenpumpe, verwirklicht werden. An der PTB wurde nun erstmals ein robuster Prozess zur Kleinserienfertigung derartiger nanoelektronischer Bauelemente entwickelt und hinsichtlich ihrer Varianzen untersucht.


Bisher wurden von solchen Pumpen – wie aber auch grundsätzlich von nanostrukturierten Bauelementen im Übergangsbereich der makroskopischen Physik und der Quantenmechanik – nur einzelne Prototypen hergestellt, die aufgrund mangelnder Statistik keine Beurteilung der Varianz und Reproduzierbarkeit des Herstellungsprozesses erlauben. Eine solche Beurteilung ermöglicht erst eine Kleinserienfertigung, die typischerweise bis zu einer dreistelligen Anzahl an Bauelementen auf einem Substrat enthält und die über mehrere Fertigungsdurchläufe hinweg reproduziert werden kann. Für solch eine Kleinserie wurde in der PTB zunächst ein neuer Fertigungsprozess mit hoher Ausbeute entwickelt und anschließend die Varianz von Schlüsselparametern der Lithografie sowie von Substratparametern untersucht. Zentral wichtige Eigenschaften der mit diesen Bauelementen erzeugten Quantenpunkte wie beispielsweise die Ladeenergie wurden hinsichtlich ihrer Reproduzierbarkeit untersucht und mit den Varianzen des Fertigungsprozesses verglichen. Es zeigte sich, dass mit optimierten Fertigungsparametern eine große Anzahl an reproduzierbaren Proben mit den gewünschten Eigenschaften erzeugt werden konnten. Ebenso wurden die so hergestellten Schaltungen systematisch bezüglich ihrer Eignung als Quantenstromnormale untersucht.

 

Aus der Kleinserie bestehend aus 208 auf einem Wafer gefertigten Einzelelektronenpumpen (Bild) wurden dazu nach erfolgreicher Verifizierung der Lithografie und der Quantenpunkteigenschaften stichprobenartig fünf Proben ausgewählt. Die Quantisierung der von den Pumpen erzeugten Stromstärke wurde dann über rückgeführten Präzisions-Stromstärkemessungen im Rahmen der relativen Messunsicherheit von 10-6 validiert.


Die mit dieser Kleinserie in der PTB erreichte Reproduzierbarkeit der Fertigung von Einzelelektronenpumpen stellt einen wichtigen Schritt im Hinblick auf zukünftige Anwendungen in der elektrischen Quantenmetrologie dar. Sie ist beispielsweise die Voraussetzung für die Parallelschaltungen mehrerer Einzelelektronenpumpen, beispielsweise zur Erhöhung der erreichbaren maximalen Stromstärke.

 

 

Bild: Lichtmikroskopie-Aufnahme eines Ausschnitts des Substrats mit insgesamt 208 Einzelelektronenpumpen. Im vergrößerten Einsatz ist die Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme einer einzelnen Struktur zu sehen. Der sanduhrförmige Bereich zeigt den Halbleiterkanal, der Quantenpunkt bildet sich zwischen den Enden der metallischen Elektroden (als helle Bereiche sichtbar).

 

 

 

Opens internal link in current windowFachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus“