本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫編譯自phy org
來(lái)自 TU Wien（維也納）的新型電子元件可能成為量子信息技術(shù)時(shí)代一把重要的鑰匙：使用特殊的制造工藝，讓純鍺與鋁結(jié)合，形成原子級(jí)銳利的界面。從而產(chǎn)生單片金屬-半導(dǎo)體-金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
兩種材料之間的界面非常精確。
圖片來(lái)源：Vienna University of Technology
這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出獨(dú)特的效果，在低溫下尤為明顯。鋁變得超導(dǎo)，不僅如此，這種特性還會(huì)轉(zhuǎn)移到相鄰的鍺半導(dǎo)體上，并且可以通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行專門(mén)控制。這使其非常適合量子技術(shù)中的復(fù)雜應(yīng)用，例如處理量子位。一個(gè)特別的優(yōu)勢(shì)是，通過(guò)這種方法無(wú)需開(kāi)發(fā)全新的技術(shù)；反而可以使用成熟且完善的半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于鍺的量子電子學(xué)。
>>>> 鍺：難以形成高質(zhì)量的觸點(diǎn)
“鍺是一種公認(rèn)的在半導(dǎo)體技術(shù)中發(fā)揮著重要作用的材料，它可用于開(kāi)發(fā)更快、更節(jié)能的組件，”維也納工業(yè)大學(xué)固態(tài)電子研究所的 Masiar Sistani 博士說(shuō)。“然而，如果你打算用它來(lái)生產(chǎn)納米級(jí)的組件，你會(huì)遇到一個(gè)主要問(wèn)題：生產(chǎn)高質(zhì)量的電觸點(diǎn)極其困難，因?yàn)榧词故怯|點(diǎn)上最小的雜質(zhì)也會(huì)對(duì)電氣性能產(chǎn)生重大影響。因此，我們已找到一個(gè)新的制造方法，使鍺具備可靠和可重復(fù)的接觸特性”。
>>>> 移動(dòng)的原子
當(dāng)納米結(jié)構(gòu)的鍺和鋁接觸并加熱時(shí)溫度很關(guān)鍵，兩種材料的原子開(kāi)始擴(kuò)散到相鄰的材料中——但擴(kuò)散程度非常不同：鍺原子迅速移動(dòng)到鋁中，而鋁幾乎不擴(kuò)散到鍺中。“因此，如果你將兩個(gè)鋁觸點(diǎn)連接到一根細(xì)的鍺納米線并將溫度升高到 350 攝氏度，鍺原子就會(huì)從納米線的邊緣擴(kuò)散。這會(huì)產(chǎn)生空的空間，然后鋁可以很容易地滲透進(jìn)去，”馬西爾西斯塔尼解釋說(shuō)“最終，納米線中間只有幾納米區(qū)域由鍺組成，其余部分已被鋁填充。”
通常，鋁由微小的晶粒組成，但這種新穎的制造方法形成了完美的單晶，其中鋁原子以均勻的圖案排列。在透射電子顯微鏡下可以看到，鍺和鋁之間形成了完美干凈且原子級(jí)急劇的過(guò)渡，兩者之間沒(méi)有無(wú)序區(qū)域。與將電接觸應(yīng)用于半導(dǎo)體的傳統(tǒng)方法相比，例如通過(guò)蒸發(fā)金屬，在邊界層不會(huì)形成氧化物。
>>>> 格勒諾布爾的可行性檢查
為了更仔細(xì)地研究這種由鍺和鋁構(gòu)成的單片金屬半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性，Masiar Sistani 與格勒諾布爾大學(xué) Olivier Buisson 教授的量子工程小組合作。事實(shí)證明，這種新型結(jié)構(gòu)確實(shí)具有相當(dāng)顯著的特性：“我們不僅首次證明了純鍺的超導(dǎo)性，而且我們還證明了在使用電場(chǎng)時(shí)這種結(jié)構(gòu)可以在完全不同的工作狀態(tài)之間切換。”Masiar Sistani 博士說(shuō)。“這樣的鍺量子點(diǎn)器件不僅可以超導(dǎo)而且可以完全絕緣，或者它可以像約瑟夫森晶體管一樣工作，這是量子電子電路的重要基本元件。”
這種新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合了一系列優(yōu)點(diǎn)：該結(jié)構(gòu)具有量子技術(shù)所需的出色物理特性，例如高載流子遷移率和出色的電場(chǎng)可操縱性，并且還具有與已經(jīng)建立的微電子技術(shù)完美匹配的額外優(yōu)勢(shì)：鍺是已在當(dāng)前芯片架構(gòu)中使用的溫度以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成所需的溫度與成熟的半導(dǎo)體加工方案兼容。“我們開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)，它不僅在理論上具有有趣的量子特性，而且在技術(shù)上開(kāi)辟了一種非常現(xiàn)實(shí)的可能性，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的新型節(jié)能設(shè)備，”Masiar Sistani 博士說(shuō)。
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