Entwicklung und Validierung von Einzelelektronenpumpen auf Basis von GaAs/AlGaAs-Quantenpunkten für ein Quantenstromnormal

Eine Möglichkeit der direkten Darstellung der Basiseinheit Ampere in der im Jahre 2019 eingeführten
Revision des SI-Systems ist die Verwendung des mit der Frequenz f getakteten Einzelelektronentransports.
Der erzeugte Strom I = ne f ist hierbei nur von der als Naturkonstante festgelegten
Elementarladung e, der Anzahl der Elektronen pro Taktzyklus n und der auf die SI-Basiseinheit
Sekunde rückführbaren Frequenz f abhängig. Eine technische Umsetzung dieses Prinzips in Form
einer Einzelelektronenpumpe ist die Verwendung eines dynamischen Quantenpunkts mit modulierbaren
Tunnelbarrieren. Inhalt dieser Arbeit ist die reproduzierbare und robuste Realisierung dieses
physikalischen Prinzips in einem nanoelektronischem, mesoskopischem Bauelement auf Basis einer
GaAs/AlGaAs-Heterostruktur in einer Kleinserie.
Hierfür wird zunächst der lithographische Einschluss des Quantenpunkts durch die Kombination eines
Shallow Etch mit metallischen Gatestrukturen hinsichtlich der robusten technischen Realisierung
und der hierbei auftretenden Varianz der Lithographieergebnisse untersucht. Zentrale Eigenschaften
der erzeugten statischen Quantenpunkte, wie die Ladeenergie, werden durch elektrische Transportmessungen
bei kryogenen Temperaturen gewonnen und deren Größenordnungen sowie Varianzen
in Verhältnis zu den vorher bestimmten Lithographieergebnissen gesetzt. Hierbei konnte eine hohe
Ausbeute symmetrischer Quantenpunkte bei gleichzeitig guter Reproduzierbarkeit der Ladeenergie
nachgewiesen, sowie auch die maximal möglichen Grenzen des geometrischen Einschlusses, gezeigt
werden.
Für die Validierung der dynamischen Quantenpunkte als Quantenstromnormale wird eine Richtlinie
entwickelt, die nicht mehr alleinig die rückgeführte Messung des gepumpten Stroms gegen ein mit
einer endlichen Messunsicherheit behafteten Transfernormal prüft, sondern die Übereinstimmung der
Fehlerprozesse unter verschiedenen Betriebsbedingungen mit der idealisierten Modellvorstellung des
Quantenpunkts mit dynamischen Tunnelbarrieren validiert. Aufbauend auf den Erkenntnissen des
lithographischen Einschlusses sowie der statischen Quantenpunkteigenschaften mit einer Vielzahl
an Referenzwerten wird hiermit ein Verifizierungs- und Validierungskonzept für eine Richtlinie zur
Herstellung und metrologischen Anwendung von Einzelelektronenpumpen entwickelt und an einem
Probensystem demonstriert.
Schlüsselwörter: Einzelelektronenpumpe, Quantenstromnormal, Quantenmetrologie, dynamischer
Quantenpunkt, GaAs/AlGaAs-Heterostruktur, Reproduzierbarkeit mesoskopischer Bauelemente