06.12.2010
Die Neudefinition einiger Basiseinheiten des internationalen Einheitensystems durch die Festlegung von Fundamentalkonstanten wird für die nächsten Jahre ins Auge gefasst. Dabei soll das Ampere, die Einheit der Stromstärke, basierend auf der Elementarladung e definiert werden. Eine Möglichkeit für die Darstellung des Ampere gemäß der neuen Definition bieten Einzelelektronenpumpen, die daher zur Zeit intensiv untersucht und weiterentwickelt werden. Betrieben bei einer Pumpfrequenz f liefern Einzelelektronenpumpen einen quantisierten Strom I = n∙e∙f. Dabei ist n die pro Pumpzyklus transportierte Anzahl von Elementarladungen.
Für praktische Anwendungen sind quantisierte Ströme im Nanoampere-Bereich wünschenswert. Wird pro Pumpzyklus nur ein Elektron transportiert, muss dazu die Pumpfrequenz im Bereich von 10 GHz liegen. Bei solchen hohen Pumpfrequenzen kann sich jedoch die Unsicherheit der quantisierten Strömstärke erhöhen. Ein alternatives Konzept zur Erhöhung der Stromstärke setzt daher darauf, bei moderaten Frequenzen von 100 MHz bis 1 GHz die pro Pumpzyklus transportierte Elektronenzahl n durch den parallelen Betrieb mehrerer Einzelelektronenpumpen zu erhöhen.
Halbleiter-Einzelelektronenpumpen sind vielversprechende Bausteine für die Realisierung dieses Parallelbetriebs. Diese Bauelemente bestehen aus zweidimensionalen GaAs/AlGaAs Schichten, in denen mit Hilfe von Ätzverfahren ein eindimensionaler Kanal definiert wird. Metallische Elektroden erlauben es, Spannungen an die Struktur anzulegen und damit das Potential in dem Kanal so zu modulieren, dass einzelne Elektronen durch den Kanal transportiert werden. Umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass eine solche Einzelelektronenpumpe mit nur einer hochfrequenten Modulationsspannung betrieben werden kann und über einen weiten Bereich der Betriebsparameter stabil arbeitet. Theoretisch werden Unsicherheiten des quantisierten Stroms unter 10-8 bei Frequenzen bis zu 1 GHz vorausgesagt.
Im Berichtsjahr wurde eine Parallelschaltung aus vier Einzelelektronenpumpen hergestellt (siehe Bild), von denen drei funktionstüchtig waren. Erstmals konnte gezeigt werden, dass drei Halbleiter-Einzelelektronenpumpen betrieben mit einer gemeinsamen Modulationsspannung parallel arbeiten können. Dabei erzeugen sie einen quantisierten Gesamtstrom von 264,36 pA bei 550 MHz. Da nur eine Modulationsspannung zum Betrieb benötigt wird, ist die Beschaltung relativ einfach. Das Konzept ist daher zu höheren Stromstärken skalierbar. Die zukünftigen Arbeiten haben das Ziel diese Skalierbarkeit auszunutzen.
Bild 1:
Optisches Mikroskopiebild einer Parallelschaltung von vier Halbleiter-Einzelelektronenpumpen, die mit einem gemeinsamen hochfrequenten Modulationssignal betrieben werden. Dieses Signal wird an den Engstellen der grünen Leiterbahnen über den orange eingefärbten Kontakt eingekoppelt. Mit n = 3 funktionsfähigen Einzelelektronenpumpen wurde ein quantisierter Strom I = 3∙e∙f bei einer Frequenz f = 550 MHz erzeugt.
Ansprechpartner: Bernd Kästner
Fachbereich 2.5: Halbleiterphysik und Magnetismus