Elektronik für die absolute Kälte
Anwendungen im Weltraum, in der Hochenergiephysik oder für Quantencomputer. Herkömmliche Elektronik versagt bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt. Die TU Wien entwickelt nun einen Weg über adaptive Transistoren.
Elektronik kann Probleme bekommen, wenn sie zu heiß wird, siehe etwa entsprechende Ausfälle bei der Kühlung eines Laptops. Elektronische Schaltungen können aber auch bei extremer Kälte unbrauchbar werden und das kann dann zu Problemen führen. Beispiele sind elektronische Anwendungen, die der Kälte des Weltraums ausgesetzt ist, bei Partikeldetektoren in der Hochenergiephysik oder bei Quantencomputern.
Diese Anwendungen müssen oft bis knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Allerdings können dann herkömmliche elektronische Bauteile nicht mehr so funktionieren, wie sie sollen. Die TU Wien forscht schön länger an alternativen, für extrem tiefe Temperaturen ausgelegte Transistoren (Anm. Kryo-Transistoren) aus Silizium. Hier ist selbst extreme Kälte kein Problem, außerdem sind sie viel flexibler als herkömmliche Transistoren und lassen sich an die jeweilige Anwendung anpassen.
Transistoren für den Quantenkühlschrank
Operativ werden in gewöhnlichen Halbleiterbauteilen gezielt Fremdatome in das Silizium eingebaut, eine sogenannte Dotierung. Diese Fremdatome sorgen dafür, dass im Material genügend bewegliche Ladungsträger zur Verfügung stehen. Das können Elektronen sein oder sogenannte Löcher, also fehlende Elektronen. „Bei extrem tiefen Temperaturen funktioniert dieser Trick jedoch nicht mehr zuverlässig“, erklärt Masiar Sistani vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Die Dotieratome geben ihre Ladungsträger nicht mehr frei – man spricht dann vom sogenannten Dopant Freeze-out.“
Das Material verändert dadurch seine elektrischen Eigenschaften, der Transistor verliert seine Leitfähigkeit und Schaltungen funktionieren nicht mehr richtig. Für Quantencomputer ist das ein relevantes Problem. Zwar sind die Qubits in einem Quantencomputer selbst keine gewöhnlichen Transistoren, sondern empfindliche Quantensysteme – etwa supraleitende Schaltkreise, Spins in Halbleitern oder einzelne Ionen. Aber auch ein Quantencomputer braucht klassische Elektronik.
„Die Qubits müssen gesteuert, ausgelesen und mit der Außenwelt verbunden werden“, so Sistani. „Und weil der Qubit-Chip bei extrem niedrigen Temperaturen in einem Kryostaten betrieben wird, muss zwangsläufig auch die Steuer- und Ausleseelektronik des Quantencomputers bei diesen Temperaturen zuverlässig funktionieren.“ Das ist wichtig, da eine schnelle Datenverarbeitung nur möglich ist, wenn die Elektronik mit dem Quantencomputer gemeinsam auf einem Chip integriert ist.
Reines Silizium statt Fremdatom-Dotierung
An der TU Wien entwickelte man daher eine neue Art von Elektronikbauteilen: „Unsere Transistoren beruhen nicht auf der üblichen Dotierung des Halbleiters mit Fremdatomen“, ergänzt Johannes Fuchsberger, ebenso vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Wir verwenden Silizium, ohne Dotierung, das in Kontakt mit Aluminium-Einkristallen gebracht wird“, ergänzt der Forscher. Dem Team der TU Wien gelang es so, einen Transistor zu entwickeln, der sich als „quantenfit“ erweist und auch bei für Quantensysteme relevanten extrem tiefen Temperaturen zuverlässig funktioniert.
Angaben zufolge ist das nicht der einzige Vorteil der neuen Technologie. „Unser Transistor hat eine zusätzliche Programmierelektrode, über die man ihn gezielt und dynamisch anpassen und von einem Betriebsmodus in den anderen umschalten kann“, erläutert Walter Weber, Leiter des Forschungsbereichs für Nanoelektronische Bauelemente der TU Wien. „Die Elektrode steuert nicht nur, ob überhaupt Strom fließt, sondern legt auch fest, ob der Strom durch die Bewegung von Elektronen oder durch die Bewegung von Löchern, also Elektronenfehlstellen, transportiert wird“, so Weber.
Somit lassen sich die Funktionsweise des Transistors und die darauf aufbauenden Schaltungen dynamisch rekonfigurieren und die sogenannten Doping-Freeze-out Effekte umgehen. In Zukunft könnte auch ein neuronales Netz diese Rekonfiguration der Transistoren steuern, um die Schaltkreise für die gewünschte Anwendung so umzuprogrammieren, dass eine optimale Lösung gefunden wird.
Schaltungen können an unterschiedliche Eingangssignale angepasst werden
Bei gewöhnlichen Transistoren sind Elektronentransport und der Transport von Löchern zwei völlig unterschiedliche Aufgaben – sie lassen sich nur mit unterschiedlichen Transistoren erfüllen, die aus unterschiedlich dotierten und vorab festgelegten Halbleitermaterialien bestehen. Schaltungen sind daher bei klassischer Elektronik speziell auf eine bestimmte Anwendung abgestimmt. Der neue Transistor kann beides – man muss ihn nur zwischen den Modi umschalten.
„Auch fertigungsbedingte minimale Abweichungen zwischen unterschiedlichen Transistoren können korrigiert werden, das ist besonders interessant für Verstärkerschaltungen“, sagt Fuchsberger. „Die Schaltungen können an unterschiedliche Eingangssignale angepasst werden – unser Transistor ermöglicht Anpassungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen Bauteilen nur sehr schwer möglich sind.“
Ein weiterer wichtiger Vorteil
Tieftemperaturschaltungen könnten somit künftig direkt im Betrieb nachjustiert werden, etwa um Temperaturänderungen oder Bauteilabweichungen zu kompensieren oder Arbeitspunkte und Verstärkungsfaktoren anzupassen. Damit rückt das Ziel näher, Steuer- und Ausleseelektronik enger mit Quantensystemen zu integrieren und durch Rekonfigurierbarkeit intelligenter zu gestalten. Das ist eine wichtige Voraussetzung, wenn Quantencomputer deutlich größer werden und die zugehörige Elektronik, die die Verbindung zur digitalen Welt darstellt, effizienter und schneller werden soll.
Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil der neu vorgestellten Transistoren ist, dass die verwendeten Aluminiumkontakte nicht nur kein Dopant Freeze-out zeigen, sondern bei entsprechend niedrigen Temperaturen supraleitend werden können. In Zukunft könnten daher auch die Qubits selbst auf dieser Technologieplattform mitintegriert werden. „Aktuell erforschen wir das intensiv“, so die Experten der TU Wien. (red/cc)