News | 20.02.2012 | Drucken | Teilen

Chiptechnik

Kleinster Transistor der Welt schaltet mit einzelnem Atom

Transistor teaser
© Martin Füchsle, Centre for Quantum Computation, UNSW

Die Miniaturisierung von Siliziumschaltkreisen ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass die genauen Positionen einzelner Atome in den Bauteilen deren Eigenschaften zu beeinflussen beginnen. Das gilt besonders für dotierte Halbleiter, in denen einzelne Fremdatome im Silizium Fehlstellen erzeugen und das Material so halbleitend machen. Australische Forscher haben diesen Effekt jetzt ausgenutzt und einen Transistor mit dem kleinstmöglichen dotierten Bauteil überhaupt geschaffen: ein einzelnes Phosphoratom in Silizium.

Das Team um Michelle Simmons von der University of New South Wales in Sydney konstruierte zunächst eine Anordnung aus vier Elektroden auf einer Siliziumoberfläche, von denen zwei zum Stromkreis gehören, an den beiden anderen liegt die Steuerspannung an. Genau im Zentrum der Konstruktion fügten die Wissenschaftler dann ein einzelnes Phosphoratom in die Siliziumoberfläche ein.

Auf dem Weg zum Transistor
© Martin Füchsle, Centre for Quantum Computation, UNSW
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Rastertunnelmikroskop-Aufnahme einer mit Wasserstoff geschützten Siliziumoberfläche. In den roten Bereichen haben Forscher die Schutzschicht selektiv entfernt, so dass das Silizium hier mit Phosphor dotiert wird. Zwischen den beiden zukünftigen Elektroden liegt ein einzelner Bereich, gerade groß genug, dass ein einzelnes Phosphoratom dort eingebaut wird.

Um das zu erreichen, mussten die Forscher ein einzelnes Phosphoratom mit atomarer Genauigkeit in der Siliziumoberfläche platzieren. Dazu entfernten sie von einer Gruppe von drei Siliziumdimeren im Zentrum der Anordnung die schützenden Wasserstoffatome, die die freien Bindungen nackter Siliziumoberflächen schützen. Deren Platz nahmen anschließend drei Phosphanmoleküle ein – einfache Phosphorwasserstoffverbindungen –, jedes an einem Siliziumpaar. Temperaturen um 350 Grad Celsius setzten dann eine Reaktionskaskade in Gang, bei der zwei der Phoshanmoleküle die Oberfläche wieder verließen, während das Phosphoratom aus dem dritten ein Siliziumatom in der Oberfläche ersetzte.

Wenn die Forscher an die Elektroden eine Spannung anlegen, messen sie zwischen Emitter und Kollektor ein von der Steuerspannung abhängiges Leitungsverhalten, das für einen Feldeffekttransistor charakteristisch ist: Das einzelne Phosphoratom verhält sich exakt wie ein makroskopisches, mit Phosphor dotiertes Halbleiterbauteil. Noch allerdings funktioniert der Trick nur bei extrem tiefen Temperaturen, bei denen das undotierte Silizium nichtleitend wird – beim Siedepunkt von flüssigem Helium.

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