Halfgeleiders bereiken de kwantumwereld

Tianlun Yu (links) en Vladimir Strocov aan de ADRESS-stralingslijn van de Synchrotron Lichtbron Zwitserland SLS, waar zij de gelaagde structuur van het halfgeleider galliumnitride en de supergeleider niobiumnitride hebben gemeten. (Foto: Paul Scherrer Instituut/Mahir Dzambegovic) / Tianlun Yu (links) en Vladimir Strocov aan de ADRESS-stralingslijn van de Synchrotron Lichtbron, waar zij de gelaagde structuur van het halfgeleider galliumnitride en de supergeleider niobiumnitride hebben gemeten. (Foto: Paul Scherrer Instituut/Mahir Dzambegovic)

De «kaart» van de elektronen: Deze grafiek, verkregen met de SX-ARPES-methode, toont heldere banden die de toestanden weergeven die elektronen in energie/momentumruimte kunnen innemen. Het band in de halfgeleider galliumnitraat (GaN) is duidelijk gescheiden van de supergeleidingstoestanden (omcirkeld in lichtblauwe streepjes) in het niobnitraat (NbN). Dit betekent dat de beslissende elektronen in de twee materialen elkaar niet storen. (Grafiek: Paul Scherrer Instituut/Tianlun Yu)

Quanteneffecten in supergeleitern zouden de halfgeleidertechnologie een nieuwe wending kunnen geven. Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en de Cornell Universiteit in de Amerikaanse staat New York hebben een verbindingmateriaal geïdentificeerd dat kwantelementen in de halfgeleidertechnologie kan integreren en daarmee elektronische componenten aanzienlijk krachtiger kan maken. Ze publiceren hun resultaten vandaag in het vakblad Science Advances.

Onze huidige elektronische infrastructuur is vooral gebaseerd op halfgeleiders. Deze materiaalklasse kwam ongeveer halverwege de 20e eeuw op en is sindsdien voortdurend verbeterd. Een van de belangrijkste uitdagingen in de halfgeleiderelektronica zijn verdere verbeteringen die de bandbreedte van gegevensoverdracht, de energie-efficiëntie en de informatiebeveiliging zouden verhogen. Het betrekken van kwanteffecten zal hierbij waarschijnlijk een doorbraak betekenen.

Vooral kwanteffecten die in supergeleidende materialen kunnen optreden, worden als mogelijk interessant beschouwd. Supergeleiders zijn stoffen waarin de elektrische weerstand verdwijnt zodra ze op een bepaalde temperatuur worden gekoeld. Dat in supergeleiders ook kwanteffecten kunnen worden benut, is al aangetoond in eerste kwantumcomputers.

Om mogelijke opvolgers voor de huidige halfgeleiderelektronica te vinden, onderzoeken enkele onderzoekers – waaronder een groep aan de Cornell Universiteit – zogenaamde heterostructuren, oftewel structuren uit twee verschillende materialen. Meer specifiek gaat het hen om laagstructuren uit supergeleidende en halfgeleidende materialen. «Het is al langer bekend dat men daarvoor materialen met zeer vergelijkbare kristalstructuren moet kiezen, zodat er aan het contactvlak geen spanningen in het kristalgitter ontstaan», legt John Wright uit, die aan de Cornell Universiteit de heterostructuren voor de nieuwe studie heeft vervaardigd.

Twee in dit opzicht geschikte materialen zijn de supergeleider niobnitrid (NbN) en de halfgeleider galliumnitrid (GaN). Laatstgenoemde speelt al een belangrijke rol in de halfgeleiderelektronica en is daarom al goed bestudeerd. Tot nu toe was echter onduidelijk hoe de elektronen zich precies gedragen aan het contactvlak van deze twee materialen – en of mogelijk de elektronen uit de halfgeleider de supergeleiding verstoren en daarmee de kwanteffecten uitlokken.

«Toen ik de groep in Cornell tegenkwam, wist ik: hier bij PSI kunnen we met onze spectroscopische methoden aan de ADRESS-straallijn het antwoord op deze fundamentele vraag vinden», legt Vladimir Strocov uit, onderzoeker aan de Zwitserse synchrotronlichtbron SLS van PSI.

Zo kwam het tot samenwerking tussen de twee groepen. In hun experimenten ontdekten ze uiteindelijk dat de elektronen in beide materialen «voor zichzelf» blijven. Er vinden geen ongewenste interacties plaats die de kwanteffecten zouden kunnen belemmeren.

Synchrotronlicht toont de elektronische structuren

De PSI-onderzoekers gebruikten een aan de ADRESS-straallijn van de SLS gevestigde methode: hoekresolutie photo-elektronenspectroscopie met zachte röntgenstraling – in het Engels afgekort SX-ARPES. «Met deze methode kunnen we de collectieve beweging van de elektronen in het materiaal zichtbaar maken», legt Tianlun Yu uit, postdoctoraal onderzoeker in het team van Vladimir Strocov, die de metingen aan de NbN/GaN-heterostructuur heeft uitgevoerd. Samen met Wright is Yu de eerste auteur van de nieuwe publicatie.

De SX-ARPES-methode levert een soort kaart, waarvan de ruimtelijke coördinaten in één richting de energie van de elektronen aangeven en in de andere richting zoiets als hun snelheid; meer precies hun impuls. «In deze voorstelling verschijnen de elektronische toestanden als heldere banden op de kaart», legt Yu uit. Het belangrijkste onderzoeksresultaat: aan de grens tussen het materiaal niobnitrid NbN en galliumnitrid GaN zijn de respectieve «banen» duidelijk van elkaar gescheiden. Hieruit konden de onderzoekers aflezen dat de elektronen in hun oorspronkelijke materiaal blijven en niet interageren met de elektronen in de buurstof.

«De voor ons belangrijkste conclusie is dat de supergeleiding in niobnitrid onaangetast blijft, zelfs als dit atoom voor atoom op een laag galliumnitrid wordt aangebracht», zegt Vladimir Strocov. «Hiermee konden we een ander puzzelstukje leveren dat bevestigt: dit laagstructuursysteem zou inderdaad een nieuwe vorm van halfgeleiderelektronica kunnen voortbrengen, die de kwanteffecten in supergeleiders integreert en benut.»