Bauteil mit Bandanordnung für Einzelelektronenbewegung über eine längere Distanz

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement, welches als Halbleiter oder mit einer halbleiterähnlichen Struktur zum Bewegen eines Quantenpunkts über eine Distanz ausgebildet ist, umfassend a) ein Substrat mit einem zweidimensionalen Elektronengas oder Elektronenlochgas; b) eine Gatterelektrodenanordnung mit Gatterelektroden, welche an einer Fläche des elektronischen Bauelements angeordnet ist, zur Erzeugung einer Potentialmulde in dem Substrat; c) elektrische Anschlüsse zum Verbinden der Gatterelektrodenanordnung mit Spannungsquellen.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für ein solches elektronisches Bauelement. Beschreibung

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.

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.

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. 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. Derzeit wichtigste Materialkombination für die Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen ist das System GaAs/AIGaAs.

Halbleiter-Heterostrukturen bilden dabei sogenannte Quantenfilme an Grenzflächen verschiedener Materialien aus. Diese entstehen insbesondere wegen unterschiedlicher Energieverhältnisse in den beiden Materialien. Die so vorgegebene Energieverteilung 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 zweidimensionales Elektronengas (2DEG).

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, das einzelne Elektronen in den Quantenpunkten eingefangen werden können. Anschließend dient der Spin dieser Elektronen als Basis, um ein logisches Qubit zu formen. Stand der Technik

Aus der US 2017/0317203 Al ist eine Quantenpunktvorrichtung bekannt, die mindestens drei leitende Schichten und mindestens zwei isolierende Schichten umfasst. Dabei sind die drei leitenden Schichten voneinander elektrisch isoliert. Es wird dort beschrieben, dass eine leitende Schicht aus einem anderen Material besteht, als die jeweils beiden anderen leitenden Schichten. Die leitenden Schichten können z.B. vollständig und/oder teilweise aus Aluminium, Gold, Kupfer oder Polysilicium bestehen. Die Isolierschichten bestehen hingegen z.B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid. Dabei bewirken die Verbindungen zwischen den leitenden Schichten und den isolierenden Schichten u.a., dass einzelne Elektronen unter Verwendung von Spannungsimpulsen durch Quantenpunkte der Vorrichtung geschleust werden.

In dieser Quantenpunktvorrichtung ist ein Elektron in einer Potentialmulde quasi gefangen. Durch quantenmechanisches Tunneln wird dabei ein Elektron hier von Quantenpunkt zu Quantenpunkt bewegt. Dies kann zu Ungenauigkeiten bzw. Verfälschungen des Informationsgehalts über den quantenmechanischen Zustand bei der Bewegung eines Elektrons über längere Distanzen führen.

Zur Realisierung eines universellen Quantencomputers muss eine Kopplung der Qubits über Distanzen von mindestens einigen Mikrometern ermöglicht werden, um insbesondere Platz für lokale Kontrollelektronik zu schaffen. Es gibt bereits Ansätze im Stand der Technik, bei denen ein- oder zweidimensionale Arrays aus separaten Quantenpunken gebaut wurden, durch die dann Elektronen transportiert werden können. Aufgrund der sehr großen Anzahl an benötigten Gatterelektroden und damit einzustellenden Spannungen ist mittels dieses Ansatzes eine Kopplung über mehrere Mikrometer nicht ohne bedeutenden Aufwand oder sogar gar nicht zu realisieren.

Während die Operationen an einzelnen Qubits bereits in zufriedenstellendem Maße kontrolliert und ausgewertet werden können, ist die Kopplung von Qubits das möglicherweise zentrale ungelöste Problem, um einen universellen Quantencomputer verwirklichen zu können.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Kopplung insbesondere zwischen Qubits zu schaffen, die eine Distanz, welche größer als lOOnm ist, ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem elektronischen Bauelement, welches als Halbleiter oder mit einer halbleiterähnlichen Struktur zum Bewegen eines Quantenpunkts über eine Distanz ausgebildet ist der eingangs genannten Art d) die Gatterelektroden parallel verlaufende Elektrodenfinger aufweisen, wobei e) die Elektrodenfinger periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde durch das Substrat bewirkt, wobei ein Quantenpunkt mit dieser Potentialmulde translatiert wird.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren für ein solches elektronisches Bauelement gelöst, bei dem die zusammengeschalteten Gatterelektroden phasenverschoben mit Spannung beaufschlagt werden, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde durch das Substrat bewirkt, wobei ein Quantenpunk mit dieser Potentialmulde translatiert wird.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, dass ein quantenmechanischer Zustand bei einem Quantenpunkt eingestellt wird, der durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden kann. Dazu wird der Quantenpunkt in der Potentialmulde, die durch die Gatterelektrodenanordnung in geeigneter Weise erzeugt wird, quasi gefangen. Die Potentialmulde bewegt sich dann kontinuierlich und gerichtet durch das Substrat hindurch und nimmt den Quantenpunkt mit seinem quantenmechanischen Zustand über die Distanz mit. Für die kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde werden die Elektrodenfinger der Gatterelektroden entsprechend verschaltet. Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich somit ein quantenmechanischer Zustand eines Quantenpunktes über eine größere Distanz bewegen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektronischen Bauelements besteht eine Gatterelektrodenanordnung aus zwei parallelen Gatterelektroden, welche eine kanalartige Struktur bilden. Diese Maßnahme dient dazu, dass die Potentialmulde sich nur auf einer bestimmten Bahn in dem Substrat bewegen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen elektronischen Bauelements enthält das Substrat Galliumarsenid (GaAs) und/oder Silizumgermanium (SiGe). Diese Materialien sind in der Lage ein zweidimensionales Elektronengas zu erzeugen, in welchem sich Quantenpunkte erzeugen und bewegen lassen. Bei Galliumarsinid werden die Quantenpunkte mit Elektronen besetzt. Bei Siliziumgermanium werden die Quantenpunkte mit Löchern, bei denen ein Elektron fehlt, besetzt.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung des elektronischen Bauelements lässt sich damit erreichen, dass die jeweils zusammengeschalteten Gatterelektroden periodisch und/oder phasenverschoben mit Spannung beaufschlagbar ausgebildet sind. Diese Maßnahme ermöglicht es die Potentialmulde kontinuierlich durch das Substrat zu führen. Damit kann ein Quantenpunkt, der sich in der Potentialmulde befindet, mit der Potentialmulde durch das Substrat translatiert werden. Dabei verliert er nicht seinen ursprünglichen quantenmechanischen Zustand.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des elektronischen Bauelements besteht darin, dass jeweils mindestens jeder dritte Elektrodenfinger einer Gatterelektrode zusammengeschaltet ist. Damit soll gewährleistet sein, dass die Potentialmulde immer über wenigstens eine Periode gewährleistet ist, über welche die Potentialmulde bewegt wird. Nur so wird eine kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde mit dem Quantenpunkt ermöglicht. Grundsätzlich sind auch andere Kombinationen bei der Zusammenschaltung von Gatterelektroden möglich, solange eine Bewegung der Potentialmulde mit dem Quantenpunkt durchgeführt werden kann. Entsprechend ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung für das erfindungsgemäße Verfahren für ein elektronisches Bauteil dadurch, dass jeweils zumindest jede dritte Gatterelektrode zusammengeschaltet und periodisch mit Spannung beaufschlagt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements besteht darin, dass Mittel zum Verbinden zwei Qubits eines Quantencomputers vorgesehen sind. Die Zustände von Quantenpunkten über eine größere Distanz zu translatieren eignet sich besonders bei Quantencomputern. Hier gilt es Qubits miteinander zu verschalten. Daher muss das elektronische Bauelement Kontaktmöglichkeiten haben um wenigstens zwei Qubits zu verschalten, um die Quantenzustände der Quantenpunkte von einem Qubit zum anderen Qubit zu übergeben.

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. Die vorliegende Erfindung soll sich auf alle Gegenstände beziehen, die jetzt und zukünftig der Fachmann als naheliegend zur Realisierung der Erfindung heranziehen würde. Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die derzeit besten möglichen Ausführungsarten der Offenbarung. Sie dienen lediglich zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, sondern dient lediglich der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung, da der Umfang der Erfindung am besten durch die beigefügten Ansprüche definiert wird. Dabei gilt der zitierte Stand der Technik als Teil der zur Erfindung gehörigen Offenbarung. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt die schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen elektronischen

Bauelements aus Basis von GaAs, welches zwischen zwei Qubits angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine erste Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß

Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine zweite Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß

Fig. 1.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht eine dritte Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß

Fig. 1.

Fig. 5 zeigt in einer Prinzipskizze einen Querschnitt durch die zweite Lage der

Gatterelektrodenanordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 6 zeigt in einer Prinzipskizze einen Querschnitt durch die dritte Lage der

Gatterelektrodenanordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 7 zeigt in einer Prinzipskizze als Draufsicht den Aufbau des elektronischen

Bauteils gemäß Fig. 1 für eine Einzelperiode.

Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße elektronische

Bauelement gemäß Fig. 1.

Fig. 9 zeigt die schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen elektronischen

Bauelements aus Basis von SiGe, welches zwischen zwei Qubits angeordnet ist. Fig. 10 zeigt in Draufsicht eine erste Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß Fig. 9.

Fig. 11 zeigt in Draufsicht eine zweite Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß Fig. 9.

Fig. 12 zeigt in Draufsicht eine dritte Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß Fig. 9.

Fig. 13 zeigt in einer Prinzipskizze einen Querschnitt durch die zweite Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß Fig. 9.

Fig. 14 zeigt in einer Prinzipskizze einen Querschnitt durch die dritte Lage der Gatterelektrodenanordnung gemäß Fig. 9.

Fig. 15 zeigt einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße elektronische Bauelement gemäß Fig. 9.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 10 bzw. Bauteil auf Basis von Galliumarsinid (GaAS) gezeigt. Das elektronische Bauelement 10 ist schematisch als Draufsicht dargestellt. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Das elektronische Bauelement 10 koppelt zwei Qubits 12, 14 miteinander. Das elektronische Bauelement 10 enthält im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Lagen Gatterelektrodenanordnungen 16, 18, 20, die mit Isolierschichten 22, 24 voneinander getrennt sind. Die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18, 20 werden über elektrische Anschlüsse 26, 28, 30 mit geeigneter Spannung versorgt. Die erste und unterste Gatterelektrodenanordnung 16 liegt auf einer ebenen Außenfläche 31 eines Substrats 32 auf. Das Substrat 32 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus dotiertem Galliumarsinid (GaAs). Auf die Lage der ersten Gatterelektrodenanordnung 16 folgt die Isolierschicht 22, auf welcher die zweite Gatterelektrodenanordnung 18 vorgesehen ist. Auf der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 liegt die Isolierschicht 24, welche die zweite Gatterelektrodenanordnung 18 von der dritten und obersten Gatterelektrodenanordnung 20 elektrisch trennt.

In Fig. 2 wird gemäß Fig. 1 die Anordnung der ersten Gatterelektrodenanordnung 16 schematisch dargestellt, welche die Qubits 12, 14 miteinander verbindet. Diese Gatterelektrodenanordnung 16 besteht aus zwei parallelen Gatterelektroden 33, 34, welche die ersten elektrischen Anschlüsse 26 zur Spannungsversorgung aufweisen. Die Gatterelektroden 33, 34 bilden eine kanalartige Struktur 36.

Fig. 3 und 4 zeigen gemäß Fig. 1 schematisch die zweite und dritte Gatterelektrodenanordnung 18, 20, welche jeweils aus zwei parallel angeordneten Gatterelektroden 38, 40, bzw. 42, 44 bestehen. Jede dieser Gatterelektroden 38, 40, 42, 44 verfügt jeweils über einen elektrischen Anschluss 28, 30 für die Spannungsversorgung. Diese Gatterelektroden 38, 40, 42, 44 sind mit Elektrodenfingern 46, 48, 50, 52 fingerförmig ausgebildet. Die Elektrodenfinger 46, 48, 50, 52 greifen beabstandet in einer Ebene 54, 56 der Gatterelektrodenanordnungen 18, 20 ineinander, ohne sich zu berühren. Die Gatterelektrodenanordnungen 18, 20 sind in geeigneter Weise zueinander versetzt angeordnet, so dass die Elektrodenfinger 46, 48, 50, 52 in der Draufsicht in alternierender Weise zueinander verschoben sind.

In den Fig. 5 und 6 wird gemäß Fig. 1 jeweils ein Querschnitt des elektronischen Bauelements 10 schematisch gezeigt. Dabei zeigt die Fig. 5 einen Schnitt A-A gemäß Fig. 7 durch die zweite Lage und die Fig. 6 einen Schnitt B-B gemäß Fig. 7 durch die dritte Lage. Die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18, 20 und die Isolierschichten 22, 24 sind oberhalb des Substrats 32 angeordnet. Im Schnitt A-A wird in Fig. 5 zunächst die kanalartige Struktur 36 der ersten Gatterelektrodenanordnung 16 deutlich, welche unmittelbar auf dem Substrat 32 aufliegt. Dazu sind die beiden Gatterelektroden 33, 34 parallel mit kanalartiger Struktur 36 angeordnet. Über den Gatterelektroden 33, 34 ist die erste Isolierschicht 22 vorgesehen. Auf dieser Isolierschicht 22 befindet die zweite Gatterelektrodenanordnung 18. Ein Elektrodenfinger 46 der Gatterelektrode 38 der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 liegt in dieser Darstellung des Schnittbereichs sichtbar auf der ersten Isolierschicht 22. Von der Gatterelektrode 40 der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 ist im Schnitt eine Verbindung 58 für die Elektrodenfinger 48 (Fig. 3) sichtbar. Über der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 ist die zweite Isolierschicht 24 vorgesehen, auf der die dritte Gatterelektrodenanordnung 20 angeordnet ist. Von der dritten Gatterelektrodenanordnung 20 ist jeweils im Schnitt nur eine Verbindung 60, 62 der Gatterelektroden 42, 44 zwischen den Elektrodenfingern 50, 52 (Fig. 4) sichtbar.

Analog zu Fig. 5 wird im Schnitt B-B bei der Fig. 6 die kanalartige Struktur 36 der ersten Gatterelektrodenanordnung 16 ebenfalls sichtbar, die sich unverändert längs des gesamten elektronischen Bauelements 10 (siehe Fig. 1) hinzieht. In Fig. 6 liegt die erste Gatterelektrodenanordnung 16 auf dem Substrat 32. Über den Gatterelektroden 33, 34 der Gatterelektrodenanordnung 16 befindet sich die erste Isolierschicht 22. Auf der ersten Isolierschicht 22 liegt die zweite Gatterelektrodenanordnung 18. Von der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 ist im Schnitt dieser Darstellung jeweils nur die Verbindung 58 bzw. 64 der Gatterelektroden 38, 40 zwischen den Elektrodenfingern 46, 48 (Fig. 3) sichtbar. Über der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 ist wiederum die zweite Isolierschicht 24 vorgesehen, auf der die dritte Gatterelektrodenanordnung 20 angeordnet ist. Ein Elektrodenfinger 50 der Gatterelektrode 42 der dritten Gatterelektrodenanordnung 20 liegt in dieser Darstellung des Schnittbereichs sichtbar auf der zweiten Isolierschicht 24. Von der Gatterelektrode 44 der dritten Gatterelektrodenanordnung 20 ist hier nur die Verbindung 62 sichtbar. Die Fig. 7 ist gemäß Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht des elektronischen Bauelements 10 als ein vergrößerter Ausschnitt für eine einzelne Periode dargestellt. Als unterste Lage ist die kanalartige Struktur 36 der ersten Gatterelektrodenanordnung 16 dargestellt. Darüber befinden sich, wie zuvor beschrieben, isoliert voneinander die zweite und dritte Gatterelektrodenanordnung 18, 20. Die Elektrodenfinger 46, 48 der Gatterelektroden 38, 40 der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 greifen berührungsfrei in der Ebene 54 ineinander. Die Elektrodenfinger 50, 52 der Gatterelektroden 42, 44 der dritten Gatterelektrodenanordnung 20 greifen in der Ebene 56 berührungsfrei ineinander. Die Gatterelektroden 38, 40 und 42, 44 sind so angeordnet, dass sich die Elektrodenfinger 46, 48, 50, 52 alternierend abwechseln.

Die Fig. 8 zeigt als Ausschnitt des elektronischen Bauelements 10 einen Längsschnitt C-C gemäß Fig. 7. In dem Substrat 32 des elektronischen Bauelements 10 bildet sich das zweidimensionale Elektronengas (2DEG). In dieser Schnittdarstellung ist die Gatterelektrode 33 der ersten Gatterelektrodenanordnung 16 sichtbar. Die Gatterelektrode 33 erstreckt sich längs unmittelbar auf der Außenfläche 31 des Substrats 32 und wird von der ersten Isolierschicht 22 gegenüber der zweiten Gatterelektrodenanordnung 18 abgegrenzt. Von den zweiten Gatterelektroden 38, 40 sind die querliegenden Elektrodenfinger 46, und 48 im Schnitt zu sehen. Die zweite Gatterelektrodenanordnung 18 wird mit der zweiten Isolierschicht 24 von der dritten Gatterelektrodenanordnung 20 abgegrenzt. Von der dritten Gatterelektrodenanordnung 20 sind auch nur die Elektrodenfinger 50, 52 der Gatterelektroden 42, 44 zu sehen. In diesem Schnitt wird deutlich, wie sich die Elektrodenfinger 46, 48, 50, 52 alternierend abwechseln. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18, 20 wird eine Potentialmulde 66 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde 66 gefangener Quantenpunkt 68 lässt sich durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde 66 wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 46, 48, 50, 52 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert, ohne dass der Quantenpunkt 68 seine quantenmechanischen Eigenschaften verändert. Die Bewegung des Quantenpunkts 68 in Pfeilrichtung 70 wird mit gestrichelten Linien 72 angedeutet. Der quantenmechanische Zustand wird durch den kleinen Pfeil 74 des Quantenpunkts 68 symbolisch dargestellt.

Die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18, 20 werden derart mit Spannung beaufschlagt, dass die Elektrodenfinger 46, 48, 50, 52 der Gatterelektroden 38, 40 und 42, 44 die bewegliche Potentialmulde 66 in dem Substrat 32 des elektronischen Bauelements 10 bilden. Durch geeignete Ansteuerung der Gatterelektrodenanordnungen 16, 18, 20 lässt sich die Potentialmulde 66 gerichtet entlang der kanalartigen Struktur 36 durch das Substrat 32 leiten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Gatterelektroden 38, 40 und 42, 44 der zweiten bzw. dritten Gatterelektrodenanordnungen 18, 20 mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf beaufschlagt, welcher zwischen den Gatterelektroden 38, 40, 42, 44 geeignet phasenverschoben ausgeprägt ist. Der Quantenpunkt 68, der in dieser Potentialmulde 66 quasi gefangen ist lässt sich mit dieser Potentialmulde 66 über eine Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 32 aus GaAs von einem Qubit 12 zum anderen Qubit 14 translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren.

In Fig. 9 wird ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 110 auf Basis von undotiertem Siliziumgermanium (SiGe) gezeigt. Aufgrund der hierfür erforderlichen entgegengesetzten Polung zum vorherigen Ausführungsbeispiel mit dotiertem GaAs stellt sich der Aufbau des elektronischen Bauteils ein wenig geändert dar.

Das elektronische Bauelement 110 ist schematisch als Draufsicht dargestellt. Das elektronische Bauelement 110 koppelt zwei Qubits 112, 114 miteinander. Das elektronische Bauelement 110 enthält im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Lagen Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120, die mit Isolierschichten 122, 124 voneinander getrennt sind. Die Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 werden über elektrische Anschlüsse 126, 128, 130 mit geeigneter Spannung versorgt. Die erste und unterste Gatterelektrodenanordnung 116 liegt auf einer ebenen Fläche 131 eines Substrats 132 auf. Das Substrat 132 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Siliziumgermanium (SiGe). Auf die Lage der ersten Gatterelektrodenanordnung 116 folgt die Isolierschicht 122, auf welcher die zweite Gatterelektrodenanordnung 118 vorgesehen ist. Auf der zweiten Gatterelektrodenanordnung 118 liegt die Isolierschicht 124, welche die zweite Gatterelektrodenanordnung 118 von der dritten und obersten Gatterelektrodenanordnung 120 elektrisch trennt.

In Fig. 10 wird die Anordnung der ersten Gatterelektrodenanordnung 116 schematisch dargestellt, welche die Qubits 112, 114 miteinander verbindet. Diese

Gatterelektrodenanordnung 116 besteht aus zwei parallelen Gatterelektroden 133, 134, welche die ersten elektrischen Anschlüsse 126 zur Spannungsversorgung aufweisen. Die Gatterelektroden 133, 134 bilden eine kanalartige Struktur 136.

Fig. 11 und 12 zeigen schematisch die zweite und dritte Gatterelektrodenanordnung 118, 120, welche jeweils aus zwei parallel angeordneten Gatterelektroden 138, 140, bzw. 142, 144 bestehen. Jede dieser Gatterelektroden 138, 140, 142, 144 verfügt jeweils über einen elektrischen Anschluss 128, 130 für die Spannungsversorgung. Diese Gatterelektroden 138, 140, 142, 144 sind mit Elektrodenfingern 146, 148, 150, 152 fingerförmig ausgebildet. Die Elektrodenfinger 146, 148, 150, 152 greifen beabstandet in einer Ebene 154, 156 der Gatterelektrodenanordnungen 118, 120 ineinander, ohne sich zu berühren. Die Gatterelektrodenanordnungen 118, 120 sind in geeigneter Weise zueinander versetzt angeordnet, so dass die Elektrodenfinger 146, 148, 150, 152 in der Draufsicht in alternierender Weise zueinander verschoben sind.

In den Fig. 13 und 14 wird jeweils ein Querschnitt des elektronischen Bauelements 110 schematisch gezeigt. Dabei zeigt die Fig. 13 einen Schnitt durch den Elektrodenfinger 146 der zweiten Lage und die Fig. 14 einen Schnitt durch den Elektrodenfinger 150 der dritten Lage. Die Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 und die Isolierschichten 122, 124 sind oberhalb des Substrats 132 angeordnet. In Fig. 13 wird zunächst die kanalartige Struktur 136 der ersten Gatterelektrodenanordnung 116 deutlich, welche unmittelbar auf dem Substrat 132 aufliegt. Die kanalartige Struktur 136 ist dabei deutlich schmaler ausgebildet, als bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1-8. Dazu sind die beiden

Gatterelektroden 133, 134 parallel mit kanalartiger Struktur 136 angeordnet. Über den Gatterelektroden 133, 134 ist die erste Isolierschicht 122 vorgesehen. Auf dieser Isolierschicht 122 befindet die zweite Gatterelektrodenanordnung 118. Ein Elektrodenfinger 146 der Gatterelektrode 138 der zweiten Gatterelektrodenanordnung 118 liegt in dieser Darstellung des Schnittbereichs sichtbar auf der ersten Isolierschicht 122. Von der Gatterelektrode 140 der zweiten Gatterelektrodenanordnung 118 ist im Schnitt eine Verbindung 158 für die Elektrodenfinger 148 sichtbar. Über der zweiten Gatterelektrodenanordnung 118 ist die zweite Isolierschicht 124 vorgesehen, auf der die dritte Gatterelektrodenanordnung 120 angeordnet ist. Von der dritten

Gatterelektrodenanordnung 120 ist jeweils im Schnitt nur eine Verbindung 160, 162 der Gatterelektroden 142, 144 zwischen den Elektrodenfingern 150, 152 sichtbar.

Entsprechend zu Fig. 13 wird im Schnitt der Fig. 14 die kanalartige Struktur 136 der ersten Gatterelektrodenanordnung 116 ebenfalls sichtbar, die sich unverändert längs des gesamten elektronischen Bauelements 110 (siehe Fig. 9) hinzieht. In Fig. 13 liegt die erste Gatterelektrodenanordnung 116 auf dem Substrat 132. Über den Gatterelektroden 133, 134 der Gatterelektrodenanordnung 116 befindet sich die erste Isolierschicht 122. Auf der ersten Isolierschicht 122 liegt die zweite Gatterelektrodenanordnung 118. Von der zweiten Gatterelektrodenanordnung 118 ist im Schnitt dieser Darstellung jeweils nur die Verbindung 158 bzw. 164 der Gatterelektroden 138, 140 zwischen den Elektrodenfingern 146, 148 sichtbar. Über der zweiten Gatterelektrodenanordnung 118 ist wiederum die zweite Isolierschicht 124 vorgesehen, auf der die dritte Gatterelektrodenanordnung 120 angeordnet ist. Ein Elektrodenfinger 150 der Gatterelektrode 142 der dritten Gatterelektrodenanordnung 120 liegt in dieser Darstellung des Schnittbereichs sichtbar auf der zweiten Isolierschicht 124. Von der Gatterelektrode 144 der dritten Gatterelektrodenanordnung 120 ist hier nur die Verbindung 162 sichtbar. Die Fig. 15 zeigt als Ausschnitt des elektronischen Bauelements 110 einen Längsschnitt, der zwischen die kanalartige Struktur 136 gesetzt ist. In dem Substrat 132 des elektronischen Bauelements 110 bildet sich das zweidimensionale Elektronengas (2DEG). In dieser Schnittdarstellung ist die Gatterelektrode 133 der ersten Gatterelektrodenanordnung 116 sichtbar. Die Gatterelektrode 133 erstreckt sich längs unmittelbar auf der Außenfläche 131 des Substrats 132 und wird von der ersten Isolierschicht 122 gegenüber der zweiten Gatterelektrodenanordnung 118 abgegrenzt.

Von den zweiten Gatterelektroden 138, 140 sind die querliegenden Elektrodenfinger 146, und 148 im Schnitt zu sehen. Die zweite Gatterelektrodenanordnung 118 wird mit der zweiten Isolierschicht 124 von der dritten Gatterelektrodenanordnung 120 abgegrenzt. Von der dritten Gatterelektrodenanordnung 120 sind auch nur die Elektrodenfinger 150, 152 der Gatterelektroden 142, 144 zu sehen. In diesem Schnitt wird deutlich, wie sich die Elektrodenfinger 146, 148, 150, 152 alternierend abwechseln. Durch geeignetes Anlegen von Spannung an die Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 wird eine Potentialmulde 166 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde 166 gefangener Quantenpunkt 168 lässt sich durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde 166 wird durch geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 146, 148, 150, 152 mit Spannung längs durch das Substrat translatiert, ohne dass der Quantenpunkt 168 seine quantenmechanischen Eigenschaften verändert.

Die Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 werden derart mit Spannung beaufschlagt, dass die Elektrodenfinger 146, 148, 150, 152 der Gatterelektroden 138, 140 und 142, 144 die bewegliche Potentialmulde 166 in dem Substrat 132 des elektronischen Bauelements 110 bilden. Durch geeignete Ansteuerung der Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 lässt sich die Potentialmulde 166 gerichtet entlang der kanalartigen Struktur 136 durch das Substrat 132 leiten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Gatterelektroden 138, 140 und 142, 144 der zweiten bzw. dritte Gatterelektrodenanordnungen 118, 120 mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf beaufschlagt, welcher zwischen den Gatterelektroden 138, 140, 142, 144 geeignet phasenverschoben ausgeprägt ist. Der Quantenpunkt 168, der in dieser Potentialmulde 166 quasi gefangen ist lässt sich mit dieser Potentialmulde 166 über eine Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 1S2 aus SiGe von einem Qubit 112 zum anderen Qubit 114 translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. Die Bewegung des Quantenpunkts 168 in Pfeilrichtung 170 wird mit gestrichelten Linien 172 angedeutet. Der quantenmechanische Zustand wird durch den kleinen Pfeil 174 des Quantenpunkts 168 symbolisch dargestellt.

Es sei angemerkt, dass anstelle eines Elektrons, wie z.B. bei den vorherigen Ausführungsbeispielen, welches den Quantenpunkt 68 mit einem definierten quantenmechanischen Zustand bildet, können auch Löcher als Quantenpunkt betrachtet werden, bei denen entsprechend ein Elektron fehlt.

Bezugszeichenliste

10 Elektronisches Bauelement

12, 14 Qubit 16 Erste Gatterelektrodenanordnung 18 Zweite Gatterelektrodenanordnung 20 Dritte Gatterelektrodenanordnung 22 Erste Isolierschicht 24 Zweite Isolierschicht

26, 28, 30 Elektrische Anschlüsse

31 Außenfläche des Substrats

32 Substrat (GaAS)

33, 34 Gatterelektrode (1. Lage) 36 Kanalartige Struktur

38, 40 Gatterelektrode (2. Lage) 42, 44 Gatterelektrode (S. Lage) 46, 48 Elektrodenfinger (2. Lage) 50, 52 Elektrodenfinger (S. Lage) 54, 56 Ebene (Gatterelektrodenanordnungen) 58, Verbindung (2. Lage)

60, 62 Verbindung (S. Lage) 64 Verbindung (2. Lage) 66 Potentialmulde 68 Quantenpunkt (Elektron) 70 Pfeilrichtung 72 gestrichelte Linien (Potentialmulde) 74 Pfeil 110 Elektronisches Bauelement

112, 114 Qubit 116 Erste Gatterelektrodenanordnung

118 Zweite Gatterelektrodenanordnung Dritte Gatterelektrodenanordnung Erste Isolierschicht Zweite Isolierschicht , 128, 130 Elektrische Anschlüsse Außenfläche des Substrats Substrat (SiGe) , 134 Gatterelektrode (1. Lage)

Kanalartige Struktur , 140 Gatterelektrode (2. Lage) , 144 Gatterelektrode (S. Lage) , 148 Elektrodenfinger (2. Lage) , 152 Elektrodenfinger (S. Lage) , 156 Ebene (Gatterelektrodenanordnungen) Verbindung (2. Lage) , 162 Verbindung (S. Lage)

Verbindung (2. Lage)

Potentialmulde Quantenpunkt (Loch)

Pfeilrichtung gestrichelte Linien (Potentialmulde) Pfeil