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Der Quanten-Hall-Effekt im Doppelpack

Durch die vertikale Integration von zwei übereinander liegenden leitfähigen Schichten in einer neuartigen Halbleiter-Struktur wird die technologische Basis für Quantenschaltungen zur Realisierung dekadischer Widerstandswerte erweitert.

Durch genaue Kontrolle des Kristallwachstums in einer Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage können die elektrischen Eigenschaften von Halbleiterstrukturen gezielt eingestellt werden.

Die Widerstandseinheit Ohm wird wie das Volt durch einen makroskopischen Quanteneffekt reproduziert, der nur von den Naturkonstanten h und e abhängt. Für das Ohm ist dies der Quanten-Hall-Effekt (QHE), der in ultra-dünnen leitenden Schichten, so genannten zweidimensionalen Elektronengasen (2DEG), bei hohen Magnetfeldern auftritt. Nun liefern die bisher entwickelten Quantennormale aus Galliumarsenid-Halbleitern zwar den präzisen Widerstandswert von h/2e2 (der bei 12 906 Ohm liegt), doch muss dieser mittels Messbrücken umständlich auf die für praktische Anwendungen benötigte dekadische Widerstandsskala übertragen werden. Deshalb arbeitet man weltweit daran, aus Parallel- und Reihenschaltungen von Quanten-Hall-Elementen auf einem Chip eine direkte dekadische Quanten-Ohm-Skala aufzubauen.

Im Reinraumzentrum der PTB wurde jetzt eine Doppel-2DEG-Struktur entwickelt, mit der die Integration der Parallelschaltungen einfacher wird. Ein neuartiger Schichtkristall enthält statt der üblichen einzelnen leitenden Schicht gleich zwei übereinanderliegende. Um einen bestimmten Widerstandswert zu erhalten, müssen damit nur noch halb so viele parallele Hall-Elemente integriert werden. Bei der Entwicklung lag die Herausforderung darin, den schichtweisen Aufbau des Kristalls so zu steuern, dass beide Schichten nahezu gleiche elektrische Eigenschaften haben. Nur dann haben sie denselben Arbeitspunkt, und die notwendige Genauigkeit des quantisierten Widerstandswerts wird auch für die Parallelschaltung erreicht.

Präzisionsmessungen an den neuen Doppel-2DEG-Strukturen zeigten eindrucksvoll, dass dieses Ziel erreicht wurde. Der gemessene Widerstandswert stimmte innerhalb von 10–9 mit dem theoretischen Wert überein. Damit ist eine Doppel-Quanten-Hall-Schaltung genauso präzise wie ein herkömmliches Quantennormal mit nur einer Schicht. Aus den Doppelschichten sollen in Zukunft integrierte Parallelschaltungen hergestellt werden, die die Quanten-Widerstandsskala unterhalb von 12 906 Ohm erschließen. Durch die Doppel-2DEG wird die Zahl der Einzel-Elemente halbiert, die Chipgröße schrumpft in gleichem Maß, und die Fehlerhäufigkeit bei der Schaltungsherstellung wird reduziert

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