Un nouveau composant électronique de la TU Wien (Vienne) pourrait être une clé importante de l'ère de la technologie de l'information quantique :en utilisant un procédé de fabrication spécial, le germanium pur est lié à l'aluminium de manière à créer des interfaces atomiquement nettes. Il en résulte une hétérostructure dite monolithique métal-semiconducteur-métal.

Cette structure montre des effets uniques qui sont particulièrement évidents à basse température. L'aluminium devient supraconducteur, mais pas seulement, cette propriété est également transférée au semi-conducteur germanium adjacent et peut être spécifiquement contrôlée avec des champs électriques. Cela le rend parfaitement adapté aux applications complexes de la technologie quantique, tels que le traitement des bits quantiques. Un avantage particulier est qu'en utilisant cette approche, il n'est pas nécessaire de développer des technologies complètement nouvelles. Au lieu, Des techniques de fabrication de semi-conducteurs matures et bien établies peuvent être utilisées pour permettre l'électronique quantique à base de germanium. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Matériaux avancés .

Germanium :difficile de nouer des contacts de qualité

« Le germanium est un matériau reconnu pour jouer un rôle important dans la technologie des semi-conducteurs pour le développement de composants plus rapides et plus économes en énergie, " explique le Dr Masiar Sistani de l'Institute for Solid State Electronics de la TU Wien. " Cependant, si on a l'intention de l'utiliser pour produire des composants à l'échelle nanométrique, vous rencontrez un problème majeur :il est extrêmement difficile de réaliser des contacts électriques de qualité, car même les plus petites impuretés aux points de contact peuvent avoir un impact majeur sur les propriétés électriques. Nous nous sommes donc donné pour mission de développer une nouvelle méthode de fabrication qui permette des propriétés de contact fiables et reproductibles."

Atomes voyageant

La clé est la température :lorsque le germanium et l'aluminium de structure nanométrique sont mis en contact et chauffés, les atomes des deux matériaux commencent à se diffuser dans le matériau voisin, mais à des degrés très différents :les atomes de germanium se déplacent rapidement dans l'aluminium, alors que l'aluminium diffuse à peine dans le germanium. "Ainsi, si vous connectez deux contacts en aluminium à un fin nanofil de germanium et augmentez la température à 350 degrés Celsius, les atomes de germanium diffusent sur le bord du nanofil. Cela crée des espaces vides dans lesquels l'aluminium peut alors facilement pénétrer, " explique Masiar Sistani. " Au final, seule une zone de quelques nanomètres au milieu du nanofil est constituée de germanium, le reste a été rempli d'aluminium."

Normalement, aluminium composé de minuscules grains de cristal, mais cette nouvelle méthode de fabrication forme un monocristal parfait dans lequel les atomes d'aluminium sont disposés selon un motif uniforme. Comme on peut le voir au microscope électronique à transmission, une transition parfaitement nette et atomiquement nette se forme entre le germanium et l'aluminium, sans région désordonnée entre les deux. Contrairement aux méthodes conventionnelles où les contacts électriques sont appliqués à un semi-conducteur, par exemple en évaporant un métal, aucun oxyde ne peut se former au niveau de la couche limite.

Contrôle de faisabilité à Grenoble

Afin d'examiner de plus près les propriétés de cette hétérostructure métal-semiconducteur monolithique de germanium et d'aluminium, Masiar Sistani a collaboré avec le groupe d'ingénierie quantique du Pr Olivier Buisson à l'Université de Grenoble. Il s'est avéré que, la nouvelle structure a en effet des propriétés tout à fait remarquables :« Non seulement nous avons pu démontrer la supraconductivité à l'état pur, germanium non dopé pour la première fois, nous avons également pu montrer que cette structure peut être commutée entre des états de fonctionnement assez différents à l'aide de champs électriques, " rapporte le Dr Masiar Sistani. " Un tel dispositif à points quantiques en germanium peut non seulement être supraconducteur mais aussi complètement isolant, ou il peut se comporter comme un transistor Josephson, un élément de base important des circuits électroniques quantiques."

Cette nouvelle hétérostructure combine toute une gamme d'avantages :La structure possède d'excellentes propriétés physiques nécessaires aux technologies quantiques, tels qu'une mobilité élevée des porteurs et une excellente manipulabilité avec des champs électriques, et il a l'avantage supplémentaire de bien s'adapter aux technologies microélectroniques déjà établies :le germanium est déjà utilisé dans les architectures de puces actuelles et les températures requises pour la formation de l'hétérostructure sont compatibles avec les schémas de traitement des semi-conducteurs matures. "Nous avons développé une structure qui a non seulement des propriétés quantiques théoriquement intéressantes, mais ouvre également une possibilité technologiquement très réaliste de permettre d'autres dispositifs nouveaux et économes en énergie, " dit le Dr Masiar Sistani.