Dass Elektronik Probleme bekommt, wenn sie zu heiß wird – das weiß man spätestens, wenn die Kühlung beim Laptop ausfällt. Weniger bekannt ist allerdings: Auch bei extremer Kälte können elektronische Schaltungen unbrauchbar werden.
Das kann zu ernsten Problemen führen, etwa bei Elektronik, die der Kälte des Weltraums ausgesetzt ist, bei Partikeldetektoren in der Hochenergiephysik oder bei Quantencomputern. Sie müssen oft bis knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Herkömmliche elektronische Bauteile funktionieren dann nicht mehr so, wie sie sollen. An der TU Wien forscht man allerdings an alternativen, für extrem tiefe Temperaturen ausgelegte Transistoren (Kryo-Transistoren) aus Silizium: Für sie 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
In gewöhnlichen Halbleiterbauteilen werden gezielt Fremdatome in das Silizium eingebaut – das bezeichnet man als Dotierung. Diese Fremdatome sorgen dafür, dass im Material genügend bewegliche Ladungsträger zur Verfügung stehen: Elektronen oder sogenannte Löcher, also fehlende Elektronen.
„Bei extrem tiefen Temperaturen funktioniert dieser Trick jedoch nicht mehr zuverlässig“, erklärt Dr. 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.
Das ist ein ernstes Problem für Quantencomputer. 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“, sagt Dr. 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“, sagt Dr. Fuchsberger. „Wir verwenden Silizium, ohne Dotierung, das in Kontakt mit Aluminium-Einkristallen gebracht wird.“ Auf diese Weise gelang es, einen Transistor zu entwickeln, der sich als „quantenfit“ erweist – er funktioniert zuverlässig auch bei extrem tiefen Temperaturen, die für Quantensysteme relevant sind.
Das ist allerdings 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“, sagt Prof. 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.“ Somit lassen sich die Funktionsweise des Transistors und die darauf aufbauenden Schaltungen dynamisch rekonfigurieren und die 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.
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. Aber nicht nur das: „Auch fertigungsbedingte minimale Abweichungen zwischen unterschiedlichen Transistoren können korrigiert werden, das ist besonders interessant für Verstärkerschaltungen“, sagt Dr. Fuchsberger. „Die Schaltungen können an unterschiedliche Eingangssignale angepasst werden – unser Transistor ermöglicht Anpassungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen Bauteilen nur sehr schwer möglich sind.“
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 – 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, was derzeit intensiv erforscht wird.
