Ein Lichtschalter der anderen Art
Optische Signale steuern Strom durch Nanodraht aus Silizium.
Das Ende der Miniaturisierung integrierter Schaltkreise auf Basis von Silizium ist absehbar. Parallel dazu läuft die Suche nach alternativen Konzepten auf Hochtouren. Dabei birgt zwar nicht jeder Vorschlag das Potenzial, herkömmliche Rechner in Zukunft zu ersetzen – manche könnten dennoch für spezielle Anwendungen interessant werden. So etwa ein von Forschern aus Südkorea vorgestellter Transistor, der sich mit Hilfe von Licht ein- und ausschalten lässt. Auch die Realisierung einfacher Logikgatter ist den Wissenschaftlern bereits gelungen und aufgrund der hohen Lichtempfindlichkeit bietet sich das System darüber hinaus als Grundlage für eine neue Art von Photodetektoren an.
Bild: SEM-Bild eines lichtgeschalteten Transistors (links). Schematische Darstellung eines Oder-
Durch Photonen gesteuerte, elektronische Schaltkreise gelten als eines der höchsten Ziele in der Photonik. In den letzten Jahren wurden immer wieder rein optische Transistoren vorgestellt, in denen Photonen andere Photonen steuern oder Phototransistoren, deren Antwortverhalten durch Strahlung eingestellt oder verstärkt werden kann. Die Forschergruppe um Hong-Gyu Park hat nun einen einfachen und offenbar zuverlässigen Weg gefunden, Strom rein optisch zu schalten – völlig ohne den Einsatz eines elektronischen Gatters.
Das Herzstück des neuartigen Systems ist ein Nanodraht aus kristallinem, n-dotiertem Silizium, in dessen Mitte sich ein mindestens hundert Nanometer langer Bereich aus porösem Silizium befindet. Liegt an den Enden des Drahtes eine Spannung von bis zu fünf Volt an, so wirkt der poröse Teil als Isolator und es fließt lediglich ein Dunkelstrom von wenigen Pikoampere. Der Hypothese der Forscher zufolge sind in diesem Zustand die injizierten Ladungsträger in lokalisierten elektronischen Zuständen im porösen Silizium gefangen, was einen Stromfluss verhindert. Ist der poröse Mittelteil jedoch kontinuierlicher Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 658 Nanometern ausgesetzt, werden die gefangenen Ladungsträger in höhere elektronische Zustände gehoben und das Material wird leitfähig. Für einen Draht mit einem Durchmesser von ungefähr 200 Nanometern mit einem 450 Nanometer langem, porösem Segment floss unter Bestrahlung mit einer Leistung von 0,74 Milliwatt ein Strom von 16 Mikroampere, was einem On/Off-
Zur Herstellung und Strukturierung der Drähte nutzten Park und seine Kollegen eine spezielle Form des chemischen Ätzens, bei der ein feines Goldgitter als Katalysator zum Einsatz kommt. Das Gitter weist eine regelmäßige Anordnung von Löchern auf, deren Durchmesser dem Durchmesser der gewünschten Nanodrähte entspricht. Es wird auf das n-dotierte Siliziumsubstrat gelegt, woraufhin beide gemeinsam in der Ätzflüssigkeit gelegt werden. Nur wo das Silizium in Kontakt mit dem Gold ist, findet ein effektives Ätzen statt, wodurch sich das Gitter sozusagen durch das Material „frisst“ und nur an den Positionen jedes seiner Löcher einen feinen Nanodraht aus kristallinem Silizium stehen lässt. Um die kurzen Bereiche aus porösem Silizium zu erzeugen, legten die Forscher während dieses Vorgangs für kurze Zeit eine schwache, elektrische Spannung an das Gitter, was den Ätzprozess entsprechend beeinflusst. Anschließend transferierten sie die fertigen, segmentierten Drähte auf ein Substrat und dampften an ihren Enden die elektrischen Kontakte auf.
Auf diese Art war es den Wissenschaftlern möglich, nicht nur einzelne Transistoren herzustellen, sondern auch einfache Logikgatter zu realisieren. In ihrer Studie zeigen sie ein Und- und ein Oder-
Um die hohe Lichtempfindlichkeit des Systems zu demonstrieren, haben Park und seine Kollegen auch noch deutlich feiner Drähte mit Durchmessern von nur 25 Nanometern hergestellt. Die porösen Segmente waren in diesem Fall hundert Nanometer lang und wiesen damit ein zweihundert Mal kleineres Volumen auf als die vorher benutzten. Dabei zeigte sich, dass bei Spannungen unter zwei Volt unabhängig von der Strahlungsleistung lediglich ein vernachlässigbar kleiner Strom floss. Ab drei Volt reichte dagegen schon eine Strahlungsleistung von dreihundert Pikowatt, um ein deutliches Stromsignal im Pikoampere-
Angespornt von diesem Ergebnis haben die Forscher auch noch einen einfachen Photodetektor gebaut. Er besteht aus einem einzelnen, geraden Draht mit drei porösen Segmenten im Abstand von jeweils einem Mikrometer. An den Enden und zwischen den Segmenten war der Draht kontaktiert, um die Signale der einzelnen Segmente auswerten zu können. Auf diese Art war es möglich, die Positionen zweier unabhängiger, jeweils einen Mikrometer großen Laserspots mit einer räumlichen Auflösung von ebenfalls einem Mikrometer zu bestimmen.
Thomas Brandstetter
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