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Quantenpunkte könnten eines Tages die Basis-Informationseinheiten von Quantencomputern bilden. Forschende der RUB und der Technischen Universität München (TUM) haben das Herstellungsverfahren für diese winzigen Halbleiter-Strukturen entscheidend verbessert, zusammen mit Kollegen aus Kopenhagen und Basel. Die Quantenpunkte werden auf einem Wafer, einer dünnen Halbleiterkristallscheibe, erzeugt. Bisher war die Dichte der Strukturen darauf nur schwer zu kontrollieren. Nun können die Wissenschaftler gezielt bestimmte Anordnungen erzeugen – ein wichtiger Schritt in Richtung eines anwendbaren Bauteils, das eine Vielzahl von Quantenpunkten besitzen müsste.

Die Ergebnisse publizierte das Team um Nikolai Bart, Prof. Dr. Andreas Wieck und Dr. Arne Ludwig vom RUB-Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik am 28. März 2022 in der Zeitschrift Nature Communications.

Wie die Pilze im Walde

Bei Quantenpunkten handelt es sich um eng abgegrenzte Bereiche in einem Halbleiter, in die sich zum Beispiel ein einzelnes Elektron einsperren lässt. Von außen kann dieses etwa mit Licht manipuliert werden, sodass sich Informationen in dem Quantenpunkt einspeichern lassen. Die Forscher aus Bochum sind Experten für die Herstellung von Quantenpunkten. Sie erzeugen die Strukturen auf einem Wafer aus einem Halbleitermaterial, der etwa so groß wie ein Bierdeckel ist. Die Quantenpunkte haben nur einen Durchmesser von etwa 30 Nanometern.

„Unsere Quantenpunkte sind früher wie die Pilze im Walde gewachsen“, schildert Andreas Wieck die Ausgangssituation. „Wir wussten zwar, dass sie irgendwo auf dem Wafer entstehen würden, aber nicht wo genau.“ Für ihre Experimente mit den Quantenpunkten suchten sich die Forscher dann einen geeigneten Pilz im Wald aus.

Den ganzen Wafer konnten sie nicht auf einmal untersuchen, weil die Vakuumkammer der Apparatur an der RUB schlicht nicht groß genug dafür war. Die Forscher beobachteten aber, dass manche Wafer-Bereiche viele Quantenpunkte enthielten, andere wenige.

Quantenpunkte mit hoher Qualität

Um der Sache auf den Grund zu gehen, kooperierte das Bochumer Team mit den Kollegen der TUM, die schon früh ein Messgerät mit größerer Probenkammer zur Verfügung hatten. Bei diesen Analysen stellte die Gruppe fest, dass es eine seltsame Verteilung von Bereichen mit hohen und niedrigen Quantenpunkt-Dichten auf dem Wafer gab. „Die Strukturen erinnerten stark an ein Moiré-Muster, das häufig bei digitalen Abbildungen auftritt. Schnell hatte ich die Idee, dass es sich eigentlich um ein konzentrisches Muster, also Ringe handeln müsse, und dass diese in Korrelation zu unserem Kristallwachstum zu sehen sind“, berichtet Arne Ludwig.

Das Moiré-Muster: Hier wurde ein grüner Bildschirm mit einer Digitalkamera fotografiert. Sowohl der Monitor als auch der Halbleiterchip in der Digitalkamera haben ein regelmäßiges Pixelraster. Die Überlagerung der beiden Raster und minimale Verzerrungen bei der Bilderzeugung durch das optische Linsensystem führen zu starken Bildartefakten.

© Arne Ludwig

Messungen mit höherer Auflösung zeigten in der Tat, dass die Dichte der Quantenpunkte konzentrisch verteilt war. Im Folgenden bestätigten die Forschenden, dass diese Anordnung durch den Herstellungsprozess bedingt war. Sie optimierten den Beschichtungsprozess so, dass ein beinahe schachbrettartiges Muster mit Quantenpunkten hoher Qualität entstand.

Messung eines Wafers (roter Kreis): Die Farbskala zeigt, wie viel Licht die Quantenpunkte auf dem Wafer bei Wellenlängen zwischen 1.000 und 1.300 Nanometern aussenden – je höher die Emission, desto höher die Dichte der Quantenpunkte. Die gestrichelten Linien zeigen den schachbrettartigen Verlauf von hohen Quantenpunkt-Dichten.

© Nikolai Bart/Marcel Schmidt