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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil zum Detektieren von Ladungsänderungen und/oder Ladungsverschiebungen , umfassend
- a) eine Elektronenquelle und eine Elektronensenke,
- b) einen kapazitiv an eine Signalquelle gekoppelten Quantenpunkt,
- c) eine elektrostatische Steuerelektrodenanordnung zur Erzeugung einer Tunnelbarriere sowohl zwischen der Elektronenquelle und dem Quantenpunkt, als auch zwischen der Elektronensenke und dem Quantenpunkt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für den Betrieb eines solchen elektronischen Bauelements.
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Beschreibung
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Herkömmliche Computer arbeiten mit Halbleiterbauteilen mit integrierten Schaltkreisen. Diese Schaltkreise arbeiten immer mit Systemen welche auf einer logischen „0“ oder „1“ basieren - also Schalter „an“ oder „aus“. Bei Halbleiterspeichern wird dies dadurch realisiert, dass das Potential entweder oberhalb oder unterhalb eines Schwellwerts liegt. Diese zwei Zustände bilden die kleinste Einheit bei Computern und werden als „Bit“ bezeichnet.
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Diese Halbleiterbauteile bestehen oft aus dotierten Siliziumelementen, um die Schaltungen zu realisieren. So lassen sich beispielsweise Transistorschaltungen in solchen Halbleiterbauteilen anordnen und zu einem logischen Schaltkreis verknüpfen. Durch immer besser werdende chemische und physikalische Herstellungsverfahren können diese Halbleiterbauteile mittlerweile in immer extremerer Kompaktheit produziert werden. Diese Kompaktheit stößt aber an ihre physikalischen Grenzen. Sowohl die Dichte der Schaltungen, als auch die Temperatur führen häufig zu Problemen in solchen Halbleiterbauteilen. So können insbesondere noch Optimierungen durch mehrere Schichtmodelle, höhere Schalttaktung oder auch bei der Wahl des Halbleitermaterials erzielt werden. Trotzdem reichen die Rechenleistungen für viele Anwendungen, wie z.B. in der kryptographischen Technologie oder bei Berechnung von Wetter- bzw. Klimamodellen wegen der enormen Datenmengen oft nicht aus.
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Um Rechenleistung erheblich zu erhöhen, sind seit langem Modelle für sogenannte Quantencomputer bekannt. Technisch ließen sie sich aus unterschiedlichen Gründen bislang jedoch noch nicht realisieren. Die Modelle von Quantencomputern sehen vor, dass quantenmechanische Zustände von Teilchen, wie z.B. Elektronen, ausgenutzt werden. Dabei wird ein quantenmechanisches System mit zwei Zuständen als kleinste Einheit zum Speichern von Informationen als „Qubit“ bezeichnet. Ein Qubit wird beispielsweise durch den quantenmechanischen Zustand Spin „Up“ und Spin „Down“ definiert.
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Das Prinzip von Elektronen-Spin-Qubits gleicht sich immer, unabhängig vom jeweils gewählten Materialsystem. Als Substrat dient dabei eine Halbleiter-Heterostruktur. Die Halbleiter-Heterostruktur beinhaltet ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Halbleiter-Heterostrukturen sind monokristallin aufeinander gewachsene Schichten von Halbleitern mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese Schichtstrukturen liefern zahlreiche technisch relevante Quantisierungseffekte bezüglich ihrer elektronischen und optischen Eigenschaften. Daher sind sie für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente besonders geeignet. Die derzeit wichtigste Materialkombination für die Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen ist das System GaAs/AIGaAs.
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Halbleiter-Heterostrukturen bilden dabei sogenannte Quantenfilme an Grenzflächen verschiedener Materialien aus. Diese entstehen insbesondere wegen unterschiedlicher Bandenergien in den beiden Materialien. Das so vorgegebene Potential hat zur Folge, dass sich Ladungsträger aus der Umgebung im Quantenfilm sammeln. Dort sind sie dann in ihrer Bewegungsfreiheit weitgehend auf die Schicht eingeschränkt und bilden das zweidimensionale Elektronengas (2DEG).
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Als Quantenpunkt wird eine nanoskopische Materialstruktur bezeichnet. Halbleitermaterialien sind hierfür besonders geeignet. Ladungsträger, sowohl Elektronen, als auch Löcher, werden in einem Quantenpunkt in ihrer Beweglichkeit so weit eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern immer nur noch diskrete Werte annehmen kann. Mittels nanoskaliger Gatterelektroden (sog. gates), die auf die Oberfläche des Bauelements aufgebracht werden, wird die Potentiallandschaft innerhalb des zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) derart geformt, dass einzelne Elektronen in den Quantenpunkten eingefangen werden können. Anschließend dient der Spin dieser Elektronen als Basis, um ein logisches Qubit zu formen.
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Ein Quantencomputer auf Halbleiterbasis ist eine vielversprechende Technologie im Hinblick auf die Skalierbarkeit. Skalierbarkeit bedeutet hier, dass der Quantencomputer potentiell aus vielen Qubits bestehen kann. Viele Qubits werden benötigt um beispielsweise wirtschaftlich oder wissenschaftlich relevante Probleme zu lösen. Um ein Qubit zu kodieren werden die Quantenzustände der Elektronen genutzt. Diese Quantenzustände sind nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt für Rechenoperationen stabil genug, weshalb ein Quantencomputer nur innerhalb eines Kühlaggregates mit begrenzter Kühlleistung betrieben werden kann.
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Eine Rechenoperation in einem solchen Quantencomputer erfordert die Manipulation dieser Elektronen mit elektrischen und/oder magnetischen zeitlich variablen Signalen. Das Ergebnis einer oder vieler Rechenoperationen muss jedoch wieder in ein klassisches Signal überführt werden. Dieses entspricht wieder dem binären Zustand 0 oder 1 und wird als Auslese des Qubits bezeichnet.
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Mit einem kapazitiv an ein Qubit gekoppelten Quantenpunkt ist derzeit die genaueste Qubitauslese möglich. Der Quantenpunkt ist ein elektronisches Bauteil, welches sehr empfindlich auf Ladungsumverteilungen reagiert. Dafür liefert es nachteilig ein sehr schwaches Ausgangssignal. Das Ausgangssignal kann ein Stromsignal oder Spannungssignal sein, wobei die Stromverstärkung in einem integrierten Schaltkreis aufwändiger ist als die Spannungsverstärkung. Um dieses Ausgangssignal auf einen ausreichend hohen Pegel zu heben, ist ein Signalverstärker notwendig. Solche Signalverstärker benötigen viel Platz und produzieren viel Abwärme, was für die Skalierbarkeit eines Quantencomputers auf Halbleiterbasis hinderlich ist.
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Stand der Technik
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Die
US 2017 0317 203 A1 beschreibt eine Quantenpunktanordnung, die mindestens drei leitende Schichten und mindestens zwei isolierende Schichten umfassen kann, die die mindestens drei leitenden Schichten elektrisch voneinander isolieren. Dabei kann eine der leitenden Schichten aus einem anderen Material bestehen als die beiden anderen leitenden Schichten. Die leitenden Schichten können aus (i) Aluminium, (ii) Gold, (iii) Kupfer oder (iv) Polysilizium bestehen, und/oder die mindestens drei leitenden Schichten können zumindest teilweise aus (i) Aluminium, (ii) Gold, (iii) Kupfer oder (iv) Polysilizium bestehen. Die isolierenden Schichten können aus (i) Siliziumoxid, (ii) Siliziumnitrid und/oder (iii) Aluminiumoxid bestehen. Quantenpunkt-Gate-Architekturen wurden auf dotierten Galliumarsenid / Aluminiumgalliumarsenid („GaAs / AIGaAs“) -Substraten hergestellt, in denen Leitungselektronen von einer globalen Dotierstoffschicht bereitgestellt werden und auf die GaAs/ AlGaAs-Quantentopf („QW“) beschränkt werden können. Grenzfläche, die ein zweidimensionales Elektronengas „2DEG“ bildet. In diesen dotierten Strukturen ist das 2DEG standardmäßig mit Leitungselektronen gefüllt. Daher versuchten Gate-Designs, ein einzelnes Leitungselektron zu isolieren, indem Gate-Elektroden in einem Muster hergestellt wurden, das möglicherweise eine kreisförmige Barriere durch Anlegen negativer Spannungen an die Gates erzeugen könnte, um das 2DEG direkt unter den Gates abzubauen. Vorrichtungen, die diese Art von Gate-Muster verwenden, wurden als Verarmungsmodusvorrichtungen bezeichnet.
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Die
US 79 10 918 B2 betrifft eine Gated Resonant Tunneling Diode (GRTD), die ohne kryogene Kühlung arbeitet. Diese GRTD verwendet eine herkömmliche CMOS-Prozesstechnologie, vorzugsweise am 65-nm-Knoten und kleiner, die sich von anderen herkömmlichen Quantentransistoren unterscheidet, die andere Prozesstechnologien und Betriebsbedingungen erfordern. Um dies zu erreichen, verwendet die GRTD einen Körper eines ersten Leitungstyps mit einem ersten Elektrodenbereich und einem zweiten Elektrodenbereich (jeweils eines zweiten Leitungstyps), die in dem Körper ausgebildet sind. Ein Kanal befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenbereich im Körper. Ein Barrierebereich des ersten Leitungstyps wird in dem Kanal gebildet, wobei das Dotierungsniveau des Barrierebereichs größer als das Dotierungsniveau des Körpers ist. Außerdem wird ein Quantentopfbereich des zweiten Leitungstyps in dem Kanal gebildet. Zusätzlich befindet sich der Barrierebereich zwischen jedem der ersten und zweiten Elektrodenbereiche und dem Quantentopfbereich. Auf dem Körper ist eine Isolierschicht ausgebildet, wobei sich die Isolierschicht über den Quantentopfbereich und mindestens einen Teil des Barrierebereichs erstreckt, und auf der Isolierschicht ist ein Steuerelektrodenbereich ausgebildet.
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Die
US7910918B2 offenbart eine Einzelelektronentransistorvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Source und einen Drain, die über einem Substrat angeordnet sind. Eine Quanteninsel ist zwischen Source und Drain angeordnet. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Elektrode, die neben der Quanteninsel angeordnet ist, um Tunnelübergänge zwischen Source und Drain zu bilden. Der Elektrode ist eine Kapazität zugeordnet, die in Abhängigkeit von einer an die Elektrode angelegten Spannung variiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein elektronisches Bauteil zu schaffen, mit welchem schwache Signale z.B. eines Qubits erfasst und verstärkt werden können. Dabei soll es bei der Verstärkung nur zu geringer Wärmebildung kommen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem elektronischen Bauteil zum Detektieren von Ladungsänderungen und/oder Ladungsverschiebungen der eingangs genannten Art, der kapazitiv an eine Signalquelle gekoppelten Quantenpunkt asymmetrisch zwischen der Elektronenquelle und der Elektronensenke angeordnet ist.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren für den Betrieb eines solchen elektronischen Bauelements gelöst, bei dem ein konstanter Strom durch den Quantenpunkt fließt und das Messsignal als Spannungsabfall über das Bauteil detektiert wird. Dieses Verfahren lässt ein erheblich größeres Spannungausgangssignals zum Stand der Technik zu.
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Der beim bekannten Stand der Technik hinderliche Einfluss der Kapazität der Elektronensenke wird verringert. Dazu ist die Tunnelbarriere der Elektronensenke so gestaltet, dass ein Tunneln am Arbeitspunkt des Bauteils weiterhin möglich ist. Der Abstand zwischen Quantenpunkt und Elektronensenke wird jedoch drastisch erhöht. Die Erfindung bietet hierdurch einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bei der Verstärkung eines Spannungausgangssignals.
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Die Erfindung beruht auf dem Prinzip eines asymmetrischen Sensorpunkts, auch engl. „Asymmetrie Sensing Dot“, kurz: ASD genannt. Der asymmetrische Sensorpunkt verbessert den herkömmlichen Sensorpunkt derart, dass bereits bei der Signalerfassung ein deutlich stärkeres Ausgangssignal erzeugt wird. Hierdurch wird erreicht, dass ein weniger leistungsfähiger Signalverstärker erforderlich ist. Dies bewirkt zudem eine erhebliche Platzeinsparung. Weniger bzw. leistungsschwächere Komponenten erzeugen auch weniger Abwärme. Die für den Qubit-Betrieb notwendiges Kühlagregat verfügt über ein eingeschränktes Leistungsbudget. Um die Anzahl der Qubits eines Quatencomputers zu maximieren, soll die Abwärme der Qubitauslese pro Qubit bei optimaler Leistung möglichst gering sein. Hier lässt sich insbesondere Abwärme vermeiden. Zudem ist die Ausleseelektronik kompakter.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils besteht darin, dass eine zusammengesetzte Tunnelbarriere aus zwei funktionalen Bereichen zur Kontrolle eines Tunnelstroms und/oder zur Kontrolle einer Kapazität zur Elektronensenke besteht.
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Eine bevorzugte Ausbildung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ergibt sich ferner dadurch, dass Mittel zur Verringerung der Kapazität zwischen Quantenpunkt und Elektronensenke vorgesehen sind. Dabei sind kapazitive Mittel zum Koppeln eines zu messenden Systems mit dem elektronischen Bauteil vorgesehen, wobei die Ladungsverteilung des Systems den kapazitiv gekoppelten Quantenpunkt steuert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils zum Detektieren von Ladungsänderungen und/oder Ladungsverschiebungen ergibt sich weiterhin dadurch, dass Mittel vorgesehen sind, welche den Ladungstransport ermöglichen.
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Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ergibt sich dadurch, dass Mittel vorgesehen sind, welche ein Messsignal als Spannungsänderung bei konstantem Strom erfassen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ergibt sich ferner dadurch, dass das elektronische Bauteil als Einzelelektronentransistor ausgebildet ist. Diese Maßnahme bewirkt, dass sich das Bauteil bevorzugt in Quantencomputern zur Auslese von Qubits einsetzen lässt. Dort gilt es nämlich Quantenzustände von einzelnen Elektronen festzustellen, die sich über einen solchen Einzelelektronentransistor ermitteln lassen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils sind Mittel zum Bilden des Quotienten des Messsignals zu einer Spannungsänderung an einer Gatterelektrode größer eins vorgesehen sind, d.h. das Bauteil verstärkt eine Spannungsänderung an Gatterelektrode und kann als SpannungsVerstärker eingesetzt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils wird dadurch erreicht, dass eine Steuerelektrode über der Tunnelbarriere angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils wird dadurch erzielt, dass eine flächige Steuerelektrodenanordnung als oberste Schicht des elektronischen Bauteils vorgesehen ist
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Für eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils sind genau zwei Tunnelbarrieren vorgesehen. Durch die Tunnelbarriere muss ein Elektron quantenmechanisch hindurchtunneln, wobei man sich quantenmechanische Effekte hinsichtlich des konkreten Quantenzustands zunutze macht.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung soll nicht alleine auf diese aufgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden. Sie dienen lediglich zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung soll sich auf alle Gegenstände beziehen, die jetzt und zukünftig der Fachmann als naheliegend zur Realisierung der Erfindung heranziehen würde. Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, verstanden werden. Es versteht sich ferner, dass Begriffe, wie sie in gebräuchlichen Wörterbüchern definiert sind, so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung haben, die mit ihrer Bedeutung im Kontext des relevanten Fachgebiets übereinstimmt, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinne interpretiert werden, es sei denn ausdrücklich so definiert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze eine Gatterelektrodenanordnung mit Gatterelektroden des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils.
- 2 zeigt schematisch die asymmetrische Anordnung von Elektronenquelle und Elektronensenke bei einem erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil in Gegenüberstellung mit einem herkömmlichen elektronischen Bauteil.
- 3 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze veränderten „Coulomb Diamanten“ bei einem erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil in Gegenüberstellung mit einem herkömmlichen elektronischen Bauteil.
- 4 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze das Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils.
- 5 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Verlauf der potentiellen Energie eines Elektrons über den energetisch günstigsten Weg bei einem erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
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In 1 wird mit 10 eine Gatterelektrodenanordnung mit Gatter- bzw. Steuerelektroden 12 eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils 14 bezeichnet, welche als Einzelelektronentransistor 16 ausgestaltet ist und in der Nähe eines Qubits 18 als Messsignalquelle 19 angeordnet ist. Die Gatterelektroden 12 sind in einer Schicht an der Fläche 20 eines Substrats 22 angeordnet.
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In einer alternativen und hier nicht dargestellten Ausbildung sind die Gatter- bzw. Steuerelektroden 12 in mindestens zwei leitenden Schichten mit mindestens einer isolierenden Schicht angeordnet, wobei die isolierende Schicht die zwei leitenden Schichten voneinander elektrisch isoliert. Dabei ist in der obersten Schicht ist eine flächige Gatterelektrode 24 angeordnet, die das elektronische Bauteil 14 bedeckt.
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Das elektronische Bauteil 14 ist ein Halbleiterbauteil, welches eine Elektronsenke 26 im Bereich 28, oder auch engl. „Drain bzw. Drain Reservoir“ genannt und entsprechend eine Elektronenquelle 30, oder auch engl. „Source bzw. Source Reservoir“ genannt, im Bereich 32 aufweist. Ein Messsignalnehmer 34 ist als gatterdefinierter Quantenpunkt 36 ausgebildet. Der Quantenpunkt 36 und die Elektronenquelle 30 sind mit einer Tunnelbarriere 38 verbunden, die in einer vorteilhaften Ausbildung durch Gatter- bzw. Steuerelektroden 40 und 42 kontrolliert wird. Der Quantenpunkt 36 und die Elektronensenke 26 sind mit einer zusammengefügten Tunnelbarriere 44, mindestens bestehend aus einem Bereich 46 und einem Bereich 48 verbunden, wobei in einer vorteilhaften Ausbildung eine Tunnelbarriere 50 durch die Gatterelektroden 52 und 54 und eine Tunnelbarriere 56 durch die Gatterelektroden 52, 58 und 59 kontrolliert wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung erstreckt sich die Gatterelektrode 58 über Tunnelbarriere 50, Quantenpunkt 36 und Tunnelbarriere 38, gestrichelte Linie 60. In einer dazu vorteilhaften Ausbildung fließt bei angeschaltetem Elektronentransistor 16 ein Elektronen-Strom von der Elektronensenke 26 zur Elektronenquelle 30 durch die Tunnelbarriere 38, den Quantenpunkt 36 und die zusammengefügte Tunnelbarriere 44. Die zusammengefügte Tunnelbarriere 44 besteht dabei aus den Tunnelbarrieren 50 und 56 des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils 14. Die Messsignalquelle 19 wird von dem kapazitiven Qubit 18 gebildet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung führt eine Ladungstranslation oder Ladungsänderung innerhalb des Qubits 18 durch kapazitive Kopplung zur Änderungen des Quantenzustandes des Quantenpunkts 36. Alternativ zu diesem Ausführungsbeispiel führt eine Spannungsänderung an einer Gatterelektrode 62 ebenso zu einer Änderung des Quantenzustandes des Quantenpunkts 36. Bei konstanten Elektronen-Strom zwischen der Elektronenquelle 30 und der elektronensenke 26 ändert sich dadurch die Spannung die am Bauteil 14 abfällt bei einem korrektem Arbeitspunkt 64 (siehe 3) maßgeblich.
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In 2 wird der Unterschied von einem bekannten elektronischen Einzelelektronen-Transistorbauteil 66 - obere Abbildung - gegenüber dem erfindungsgemäßen Einzelelektronen-Transistorbauteil 16 - untere Abbildung - verdeutlicht. Während bei den herkömmlichen Einzelelektronen-Transistorbauteilen 66 mit symmetrischer Anordnung 68 ein Quantenpunkt 36 typischerweise symmetrisch zwischen Elektronenquelle 30 und Elektronensenke 26 angeordnet ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Einzelelektronen-Transistorbauteil 16 mit asymmetrischer Anordnung 70 der Quantenpunkt 36 weiter entfernt zur Elektronensenke 26 angeordnet. Bei den herkömmlichen Transistorbauteilen 66 besteht eine Wechselwirkung durch kapazitive Kopplung von Elektronensenke 26 zu dem Quantenpunkt 36, welche das jeweils zu messende Signal abschwächt. Dieser Effekt tritt gerade bei der typischen symmetrischen Anordnung 68 der herkömmlichen Transistorbauteilen 66 auf. Die kapazitive Kopplung zur Elektronensenke 26 wird jedoch durch die asymmetrische Anordnung 70 des erfindungsgemäßen elektronischen Transistorbauteils 16 unterdrückt.
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3 stellt entsprechend zu 2 eine Charakterisierungs-Messung in einer Gegenüberstellung dar. Dabei ist jeweils Spannung 74 die am elektronischen Bauteil 14 abfällt über eine Elektrodenspannung 76 aufgetragen, die den Quantenzustand des Quantenpunktes 36 verändert. Die obere Abbildung zeigt eine Kontur 78 bei konstanten Strom 80 durch das herkömmlichen Transistorbauteil 66 mit der symmetrischen Anordnung 68. Die untere Abbildung zeigt eine Kontur 82 bei konstantem Strom 80 durch das elektronische Bauteil 14 mit asymmetrischer Anordnung 70. Während bei der symmetrischen Anordnung 68 durch die unerwünschte kapazitive Kopplung zur Elektronensenke 26 nur eine geringe negative Steigung 84 vorliegt, kommt es bei der asymmetrischen Anordnung 70 durch die unterdrückte kapazitive Kopplung zur Elektronensenke 26 zu einer großen negativen Steigung 86. Eine Ladungstranslation oder Ladungsänderung des Qubits 18 lässt sich als Verschiebung der Kontur 78 bzw. 82 entlang der Achse 88 deuten. Eine identische Verschiebung der negativen Steigung 84, 86 von Punkt 90 zu Punkt 92 bzw. von den Punkten 94 zu 96 der Konturen 78, 82 ist veranschaulicht. Der Arbeitspunkt 64 der Bauteile 66, 14 ist jeweils in den Punkten 98 bzw. 100 der Konturen 78, 82 erkennbar. Die Verschiebung führt zu einer Spannungsänderung 102 bzw. 104. Hier wird deutlich, dass die Signalpegel 104 gegenüber dem Signalpegel 102 der symmetrischen Anordnung 68 erheblich stärker sind.
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In einer Prinzipskizze wird in 4 das schematische Ersatz-Schaltbild 106 des elektronischen Transistorbauteils 14 zur Erfassung des Quantenzustands eines Qubits 18 dargestellt. Linien 108 bedeuten dabei elektrische Leiter und Punkte 110 Leitungsverbindungen. Der Quantenpunkt 36 ist mit der Elektronenquelle 30 und der Elektronensenke 26 jeweils über Tunnelbarrieren 38, 50 gekoppelt. Tunnelbarrieren 38, 50 sind eine Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes, der den probabilistischen Stromfluss durch die Tunnelbarriere 38, 50 abbildet. Eine Spannungsquelle 112 ist mit seinem positiven Pol 114 auf die Elektronenquelle 30 und auf Masse 116 geschaltet. Der negative Pol 118 der Spannungsquelle 112 führt auf die Gatterelektrode 24, welche eine kapazitive Kopplung 120 zum Quantenpunkt 36 aufweist. Weitere Gatterelektroden (wie 24) sind analog elektrisch und kapazitativ mit dem Quantenpunkt 36 verschaltet. Der Quantenpunkt 36 weist darüber hinaus eine kapazitive Kopplung 122 auf Masse 116 und eine Kapazitive Kopplung 124 zum Qubit 18 auf.
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Die Elektronensenke 26 wird über eine Steuer- und Ausleseelektronik 126 ebenfalls mit der Masse 116 gekoppelt. Die Steuer- und Ausleseelektronik 126 besteht mindestens aus einer - aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten - Stromquelle und einem ebenfalls nicht dargestellten Spannungsmessgerät.
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In 5 wird die potentielle Energie 128 als Energie 130 dargestellt, die ein Elektron auf dem Weg 132 beim Durchlaufen des am Arbeitspunkt 64 (siehe 3) betriebenen elektronischen Bauteils 14 enthält. Ein erster schraffierter Bereich 134 bildet die Elektronenquelle 30 unterhalb der Fermi Energie 136 und ein zweiter schraffierter Bereich 138 die Elektronensenke 26 unterhalb der Fermi-Energie 140 bei einer Energiedifferenz 140 zwischen der Elektronenquelle 30 und der Elektronensenke 26. Durch die Tunnelbarriere 38 tunnelt das Elektron zunächst hindurch und nimmt auf einem Inselpotential 144 des Quantenpunktes 36 einen konkreten quantenmechanischen Zustand an. Anschließend tunnelt das Elektron durch die zusammengefügte Tunnelbarriere 44, welche mindestens der Tunnelbarriere 38 und der Tunnelbarriere 50 besteht, um zu der Elektronensenke 26 zu gelangen. Dabei bestimmt die Tunnelbarriere 50 den Elektronen-Strom und die Tunnelbarriere 56 ist als Elektronenrutsche ausgebildet, die den Stromfluss am Arbeitspunkt 64 nicht wesentlich behindert, jedoch den Abstand zu der Elektronensenke 26 wesentlich vergrößert und damit die kapazitive Kopplung minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gatterelektrodenanordnung
- 12
- Steuerelektroden
- 14
- Elektronisches Bauteil
- 16
- Einzelelektronentransistor
- 18
- Qubit
- 19
- Messsignalquelle
- 20
- Fläche
- 22
- Substrat
- 24
- Flächige Gatterelektrode
- 26
- Elektronensenke
- 28
- Lochüberschuss-Bereich
- 30
- Elektronenquelle
- 32
- Elektronenüberschuss-Bereich
- 34
- Messsignalnehmer
- 36
- Quantenpunkt
- 38
- Tunnelbarriere
- 40
- Steuerelektroden
- 42
- Steuerelektroden
- 44
- zusammengefügte Tunnelbarriere
- 46
- Bereich
- 48
- Bereich
- 50
- Tunnelbarriere
- 52
- Gatterelektrode
- 54
- Gatterelektrode
- 56
- Tunnelbarriere
- 58
- Gatterelektrode
- 59
- Gatterelektrode
- 60
- gestrichelte Linie
- 62
- Gatterelektrode
- 64
- Arbeitspunkt
- 66
- Herkömmliches Transistorbauteil
- 68
- symmetrische Anordnung
- 70
- asymmetrische Anordnung
- 72
- asymmetrische
- 74
- Spannung am elektr. Bauteil
- 76
- Elektrodenspannung
- 78
- Kontur (symmetrisches Bauteil)
- 80
- konstanter Strom
- 82
- Kontur (asymmetrisches Bauteil)
- 84
- negative Steigung (symmetrisch)
- 86
- negative Steigung (asymmetrisch)
- 88
- Achsen
- 90, 92
- Punkte (symmetr. Kontur)
- 94,96
- Punkte (asymetr. Kontur)
- 98,100
- Punkte (Arbeitspunkt)
- 102
- Signalpegel (asymmetr.)
- 104
- Signalpegel (symmetr.)
- 106
- Ersatz-Schaltbild
- 108
- Linien
- 110
- Punkte
- 112
- Spannungsquelle
- 114
- Positiver Pol
- 116
- Masse
- 118
- Negativer Pol
- 120
- Kapazitive Kopplung
- 122
- Kapazitive Kopplung
- 124
- Kapazitive Kopplung
- 126
- Steuer u. Ausleseelektronik
- 128
- potentielle Energie
- 130
- Energie
- 132
- Weg
- 134
- Erster schraffierter Bereich
- 136
- Fermi Energie
- 138
- Zweiter schraffierter Bereich
- 140
- Fermi Energie
- 142
- Energiedifferenz
- 144
- Inselpotential
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20170317203 A1 [0012]
- US 7910918 B2 [0013, 0014]
