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Systematische Untersuchung von Einzelelektronen-Pumpen

27.11.2017

Weiterentwicklungen des Fertigungsprozesses und Optimierung des Designs führten zu einer höheren Ausbeute und reproduzierbaren, verbesserten Charakteristika der Einzelelektronen-Quellen.

 

 

Im Rahmen der Entwicklung von GaAs-basierten Einzelelektronen-Pumpen zur Neudefinition der SI-Einheit Ampere wurden umfangreiche Untersuchungen bezüglich der Reproduzierbarkeit und der Leistungsfähigkeit solcher Halbleiterbauelemente durchgeführt.

Neben der Etablierung eines neuen Fertigungsprozesses mit einer hohen Ausbeute wurde insbesondere das Design dieser Pumpen untersucht und optimiert.

Ein wesentlicher Faktor, der Einfluss auf die mit einer solchen Pumpe erreichbare Präzision hat, ist die Ladeenergie. Das Einschlusspotential der Elektronen innerhalb der Pumpe – und damit die Ladeenergie – kann durch die Geometrie des nass-chemisch geätzten, leitfähigen Kanals und der metallischen Steuerelektroden modifiziert werden. Umfangreiche Untersuchungen verschiedener Designs führten zu einer Steigerung der Ladeenergie des Quantenpunkts um mehr als das Zweifache.

Diese neu entwickelten Designs werden nun in der Arbeitsgruppe 2.53 weiteren Messungen bezüglich ihrer Eignung als präzise Stromquellen für das neue Ampere unterzogen.

 

Falschfarben Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme Einzelelektronen-Quellen Design Falschfarben Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme Einzelelektronen-Quellen Design

Bild 1: Falschfarben Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zweier getesteter Designs. Zwei Gate-Steuerelektroden (gelb eingefärbt) und ein gegenüberliegendes sog. Plunger-Gate (ebenfalls gelb eingefärbt) formen den Quantenpunkt in einem nass-chemisch geätzten Kanal (dunkelblau eingefärbt).