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Ein-Elektron-Transistor bei Zimmertemperatur

Schaltelemente, die nur mit einem Elektron arbeiten, wären extrem kleine, schnelle und effiziente Bausteine einer Nanoelektronik der Zukunft. Funktionierten sie bisher nur bei sehr tiefen Temperaturen, gelang es nun, ein auch bei Raumtemperatur verwendbares Exemplar zu erzeugen.


Unter den Erfindungen, die unser Leben in den letzten Jahrzehnten entscheidend beeinflußt haben, steht der Transistor zweifellos an vorderster Stelle, auch wenn ihn heute niemand mehr bewußt wahrnimmt. Gerade das aber ist der Hauptgrund seines Siegeszuges. Aufgebaut aus Halbleitermaterialien, die gezielt mit Fremdstoffen verunreinigt ("dotiert") werden, ließ er sich scheinbar grenzenlos immer mehr verkleinern. Inzwischen passen schon acht Millionen Exemplare auf einen fingernagelgroßen Chip.

Letztes Jahr wurde der Transistor 50 Jahre alt (Spektrum der Wissenschaft, März 1998, Seite 80), und allmählich beginnen sich doch die Grenzen seiner weiteren Miniaturisierung abzuzeichnen. Fast pünktlich zum Jubiläum sieht es indes so aus, als würde ein neuer Typ von Schaltelement, das nur mit einem einzigen Elektron arbeitet, das Tor zu noch viel kleineren Dimensionen aufstoßen.

Das Prinzip aller Transistoren ist das gleiche: Man legt an zwei Punkten eine Spannung an und induziert so einen Strom, dessen Stärke durch die Spannung an einem dritten Punkt gesteuert wird. Bei den sogenannten Feldeffekttransistoren (FET), den wichtigsten Bestandtei-len heutiger Computerchips, erfolgt die Steuerung über ein elektrisches Feld; dessen Stärke bestimmt die Anzahl der Elektronen beziehungsweise der "Löcher", an denen jeweils ein Elektron fehlt, und legt damit zugleich die Leitfähigkeit des Transistors fest (Bild 1). Meist strömen die Ladungsträger dabei in einer sehr dünnen Schicht an der Oberfläche des Halbleitermaterials entlang.

Je mehr man das Flußbett der Elektronen nun einengt, um so weniger Teilchen sind erforderlich; im Extremfall genügt schließlich ein einziges. Dies ist das Prinzip des Ein-Elektron-Transistors (SET nach englisch single electron transistor). In einem solchen Schaltelement werden die Elektronen durch einen äußerst engen Kanal geführt. Anders als beim FET läßt sich der Stromfluß allerdings nicht mehr über die Zahl der Ladungsträger regulieren. Statt dessen benutzt man zwei Barrieren innerhalb des Kanals. Sie sind so hoch, daß ein ankommendes Elektron nicht über sie hinweggelangen kann. Allerdings vermag es unter bestimmten Umständen dank des quantenmechanischen Tunneleffektes trotzdem mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit hindurchzuschlüpfen.

Die beiden Barrieren sind sehr dicht beieinander angeordnet. Dadurch bildet der Raum dazwischen einen sogenannten Quantenpunkt: Ein Elektron ist darin buchstäblich auf einem Punkt, also qua-si in der nullten Dimension, gefangen (Spektrum der Wissenschaft, März 1993, Seite 52). Dies bedeutet eine weitere Hürde für den Eintritt. Wie die Theorie lehrt, bedarf es, um eine gewisse Ladung auf den Quantenpunkt zu bringen, einer bestimmten Energie, die von der Größe der Ladung und von den Eigenschaften des Quantenpunktes abhängt – unter anderem von seiner elektrischen Kapazität und damit seiner Größe. Man spricht in diesem Zusammenhang von Coulomb-Blockade. Ein Elektron kann also nur dann auf den Quantenpunkt tunneln, wenn es die seiner Ladung entsprechende Energie aufbringt.

Dies läßt sich für äußerst effiziente und schnelle Schaltvorgänge nutzen. Durch Anlegen einer Spannung an eine Steuerelektrode kann man das Ausmaß der Coulomb-Blockade verringern und sie gezielt so einstellen, daß die Energie eines Elektrons gerade dem Schwellenwert für den Übergang auf den Quantenpunkt entspricht (Bild 2). Dann tunnelt ein Teilchen hinein, und es fließt ein Strom von einer Elementarladung. Da sich der Quantenpunkt dabei negativ auflädt, verstärkt sich allerdings die Coulomb-Abstoßung. Um ein weiteres Elektron hineinzuhieven, muß man die Spannung also um einen gewissen Betrag erhöhen. Dieses Spiel läßt sich fortsetzen. Die Folge ist, daß die Leitfähigkeit des Transistors mit wachsender Steuerspannung nicht stetig, sondern treppenförmig ansteigt, weil jeweils nur dann ein weiteres Elektron auf den Quantenpunkt tunnelt, wenn die Schwellenenergie für den Übertritt genügend herabgesetzt wurde. Die Abstände der Treppenstufen erlauben Rückschlüsse auf die Höhe der Coulomb-Blockade und damit auf die Größe des Quantenpunktes.

An einem gravierenden Problem ist die praktische Anwendung dieses Prinzips bisher jedoch gescheitert: Man konnte nur relativ große Quantenpunk-te herstellen, bei denen die Coulomb-Blockade entsprechend gering war. Um als Ein-Elektron-Transistoren dienen zu können, mußten sie auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt werden; anderenfalls wäre bereits die Wärmeenergie der Elektronen größer gewesen als der Schwellenwert für die Überwindung der Blockade. Nun ist Lei Zhuang und Lingjie Guo von der Universität von Minnesota in Minneapolis und Stephen Y. Chou von der Universität Princeton (New Jersey) jedoch die Konstruktion eines so winzigen Quantenpunktes gelungen, daß sich damit ein Ein-Elektron-Transistor bei Zimmertemperatur betreiben läßt ("Applied Physics Letters", Band 72, Heft 10, Seite 1205).

Mit speziellen Ätztechniken und der Elektronenstrahl-Lithographie vermochten die Forscher auf einem Siliciumchip Kanäle von nur 16 Nanometern (millionstel Millimetern) Breite und Barrieren im Abstand von 12 Nanometern herzustellen. Dies entspricht gerade mal hundert nebeneinander aufgereihten Atomen. Derart feine Strukturen sind viel kleiner als die Wellenlänge von Licht (350 bis 800 Nanometer) und lassen sich deshalb nicht mehr mit dem üblichen Verfahren herstellen, bei dem eine Halbleiterplatte mit einem photoempfindlichen Film beschichtet und dann durch eine Maske belichtet wird, welche die Strukturen sozusagen als Negativ enthält. Aus diesem Grunde benutzt man statt dessen Elektronenstrahlen, die eine kürzere Wellenlänge als Licht haben und damit eine höhere Auflösung erlauben.

Eine zweite japanische Gruppe um Jun-ichi Shirakashi vom Elektrotechnischen Laboratorium in Ibaraki konnte nur kurz nach dem ersten Team gleichfalls einen bei Raumtemperatur arbeitenden Ein-Elektron-Transistor herstellen – allerdings mit Niob statt Silicium als Substrat ("Applied Physics Letters", Band 72, Heft 15, Seite 1893). In diesem Falle erzeugten die Wissenschaftler zunächst verhältnismäßig große Stifte als Quantenpunkte, von denen sie durch sogenannte thermische Oxidation langsam Material wegätzten. Indem sie kontinuierlich die Tunneleigenschaften der Elektronen maßen, konnten sie den Ätzvorgang überwachen und ihn bei einer gewünschten Größe des Quantenpunktes abbrechen. Trotz solcher neuen Techniken sind Strukturen von wenigen Nanometern jedoch immer noch extrem schwierig herzustellen und Ein-Elektron-Transistoren folglich noch weit von der Serienreife entfernt.

Bei extrem kleinen Quantenpunkten macht sich zusätzlich die Wellennatur der Elektronen bemerkbar. Ein eingesperrtes Teilchen kann nur bestimmte Wellenlängen – und damit Energiewerte – annehmen, da die Welle, die es quantenmechanisch beschreibt, in den Quantenpunkt passen muß – ähnlich wie eine gespannte Saite lediglich mit bestimm-ten Frequenzen schwingen kann. Dieser Effekt spielt bei Quantenpunkten, die nur wenige Nanometer messen, eine nicht unerhebliche Rolle und beeinflußt nachweisbar ihre Energiezustände. Aus diesem Grunde werden derart winzige Quantenpunkte auch manchmal als "künstliche Atome" bezeichnet; denn wie Atome können sie nur einige wenige Elektronen auf diskreten Energieniveaus enthalten. Auf die Funktion eines daraus aufgebauten SET wirkt sich das allerdings nicht nachteilig aus.

Nachdem nun demonstriert worden ist, daß sich Ein-Elektron-Transistoren im Prinzip auch bei Zimmertemperatur betreiben lassen, sind die Aussichten auf ihre Verwendung in Computerchips deutlich gestiegen. Auch andere Ergebnisse stimmen optimistisch. So haben Sandip Tiwari und seine Kollegen am IBM-Forschungszentrum in Yorktown Heights (US-Bundesstaat New York) bereits eine Nanostruktur entwickelt, die Information mit einem einzelnen Elektron speichern kann und ähnlich wie der Ein-Elektron-Transistor auf Tunneleffekten beruht ("Applied Physics Letters", Band 68, Heft 10, Seite 1377). Andere Gruppen untersuchen statt Halbleitermaterialien gänzlich neuartige Substrate – etwa winzige Röhren aus Kohlenstoffatomen (Spektrum der Wissenschaft, August 1998, Seite 16). Generell bieten sich Moleküle als ultimative elektronische Bauteile an, da sie praktisch von Natur aus kleinste Einheiten miteinander verbundener Atome sind und nicht erst mit aufwendigen Verfahren nachträglich auf einem größeren Kristall erzeugt werden müssen (Spektrum der Wissenschaft, April 1994, Seite 22). Welche Forschungsrichtung am schnellsten den Durchbruch zum kommerziellen Erfolg schafft, bleibt abzuwarten.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1998, Seite 13
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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