Ultimativ dünne Halbleiter erstmals elektrisch mit Supraleiter verbunden

Basel – Forschende der Universität Basel haben erstmals einen atomar dünnen Halbleiter mit supraleitenden Kontakten versehen. Solche extrem dünnen Bauelemente mit neuartigen elektronischen und optischen Eigenschaften könnten den Weg für bisher ungeahnte Anwendungen ebnen. Kombiniert mit Supraleitern sollen sie neue Quantenphänomene erzeugen und Verwendung in der Quantentechnologie finden.

Sei es im Smartphone, im Fernseher oder bei der Gebäudetechnik: Halbleiter spielen in der Elektronik und damit im Alltag eine zentrale Rolle. Im Gegensatz zu Metallen lässt sich ihre elektrische Leitfähigkeit durch Anlegen einer Spannung einstellen. Das macht es möglich, den Stromfluss ein- und ausschalten.

Für zukünftige Anwendungen in der Elektronik und der Quantentechnologie werden insbesondere neue Bauelemente entwickelt, die aus nur einer einzigen Lage (Monolage) eines Halbleitermaterials bestehen. In der Natur kommen Materialien mit Halbleitereigenschaften vor, in denen solche Monolagen zu einem dreidimensionalen Kristall gestapelt sind. Im Labor können Forschende solche Schichten, die nicht dicker sind als ein Einzelmolekül, voneinander lösen und zu elektronischen Bauteilen verarbeiten.

Neue Eigenschaften und Phänomene
Diese superdünnen Halbleiter versprechen einzigartige Besonderheiten, die sonst nur sehr schwer zu beherrschen sind, wie zum Beispiel die Kontrolle von magnetischen Eigenschaften der Elektronen durch elektrische Felder. Daneben spielen sich in diesen Halbleiter-Monolagen komplexe quantenmechanische Phänomene ab, die in der Quantentechnologie genutzt werden können.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit forschen daran, die dünnen Halbleiter zu neuen synthetischen Materialien, sogenannten van-der-Waals-Heterostrukuren, zu stapeln. Ihnen ist es bisher jedoch nicht gelungen, eine Monolage mit supraleitenden Kontakten zu verknüpfen, um damit die Eigenschaften und Besonderheiten der neuen Materialien noch weiter zu erforschen.

Supraleitende Kontakte
Ein Team von Physikern um Dr. Andreas Baumgartner in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Christian Schönenberger, beide am Swiss Nanoscience Institute und am Departement Physik der Universität Basel, haben nun erstmals eine Monolage des Halbleiters Molybdändisulfid mit supraleitenden Kontakten versehen. (siehe Box)

Diese Verknüpfung von Halbleiter und Supraleiter ist so interessant, weil Fachleute in solchen Bauteilen neue Eigenschaften und physikalische Phänomene erwarten. «Wir können uns vorstellen, dass in einem Supraleiter die Elektronen sich wie beim Paartanz zu Paaren anordnen, mit phantastischen Konsequenzen, wie zum Beispiel, dass Strom ohne Widerstand geleitet wird», erklärt Dr. Andreas Baumgartner, Projektleiter der Studie. «Im Halbleiter Molybdändisulfid tanzen die Elektronen hingegen einen ganz anderen, sonderbaren Einzeltanz, der auch deren magnetische Eigenschaften beinhaltet. Wir möchten jetzt herausfinden, auf welche neuartigen und exotischen Tänze die Elektronen sich einigen, wenn wir solche Materialien kombinieren.»

Als Plattform geeignet
Die elektrischen Messungen bei den für Supraleitung nötigen tiefen Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) zeigen klare Effekte durch den Supraleiter, wie zum Beispiel, dass Elektronen des Halbleiters bei bestimmten Energien nicht mehr einzeln, sondern nur noch als Paare auftreten. Zudem fanden die Forschenden auch Hinweise auf eine starke Kopplung zwischen der Halbleiterschicht und dem Supraleiter.

«Und natürlich hoffen wir immer auf Anwendungen in der Elektronik und der Quantentechnologie», verrät Dr. Andreas Baumgartner. «Die von uns entwickelten vertikalen Kontakte zu den Halbleiterschichten lassen sich prinzipiell auf eine Vielzahl von Halbleitern anwenden. Unsere Messungen zeigen, dass solche hybriden Monolagen-Halbleiter-Bauteile durchaus möglich sind – vielleicht auch mit anderen, noch exotischeren Kontaktmaterialien, die noch weitere neue Erkenntnisse ermöglichen würden», fügt er hinzu. (Universität Basel/mc/ps)

Originalpublikation
Mehdi Ramezani, Ian Correa Sampaio, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger, and Andreas Baumgartner
Superconducting Contacts to a Monolayer Semiconductor
Nano Letters (2021), doi: 10.1021/acs.nanolett.1c00615
Forschungsgruppe «Quantum- and Nanoelectronics»

Aufwendige Herstellung
Die Herstellung des neuen Bauteils als eine Art «Sandwich» aus verschiedenen Materialien erfordert zahlreiche Schritte. Bei jedem ist es wichtig, Verunreinigungen zu vermeiden, da diese den Transport elektrischer Ladungen stark beeinträchtigen.

Zum Schutz des Halbleiters verpacken die Forschenden die Monolage des Molybdändisulfid zwischen zwei dünne Schichten Bornitrid, durch die sie vorher mittels Elektronenstrahllithographie und Ionenätzung die Kontakte vertikal durchgeätzt haben. Anschliessend scheiden sie eine dünne Schicht Molybdänrhenium als Kontaktmaterial ab – ein Material, das auch bei starken Magnetfeldern supraleitend bleibt.

In einer sogenannten Glove-Box stapeln die Forschenden dann unter einer schützenden Stickstoff-Atmosphäre diese mit Löchern versehene Bornitridschicht auf die Molybdändisulfidschicht und fügen auf der Unterseite dieser Schicht eine weitere Bornitridlage sowie eine Lage Graphen zur elektrischen Kontrolle hinzu. Die Forschenden platzieren diese aufwändige van-der-Waals-Heterostruktur anschliessend auf einem Silizium/Siliziumdioxid Wafer.