Einzeln schalten

Physik Journal - Erstmals gelang es, einen Einzel-Elektronen-Transistor auf der Basis von Silizium aufzubauen.

In den derzeit kleinsten Transistoren müssen sich immer noch tausende Elektronen in Bewegung setzen, um jeweils ein einziges Bit zu schalten. Lässt sich diese Anzahl reduzieren, locken schnellere Schaltkreise mit einem stark verringerten Stromverbrauch. Vor wenigen Jahren konnten Physiker bereits erste Labormuster von „Einzel-Elektronen-Transistoren“ (SET, single electron transistor) aus metallischen Nanodrähten oder Galliumarsenid-Strukturen aufbauen, in denen sich Bits mit einzelnen Elektronen schalten lassen. Japanischen Wissenschaftlern vom Elektronikkonzern NTT in Kanagawa ist es zusammen mit Kollegen vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg (NIST) gelungen, ein solches Schaltmodul auf der Basis von Silizium aufzubauen. Nach eigenen Angaben konnten sie dabei erstmals die winzigen Schaltströme zwischen 0 und 1,4 Nanoampere reproduzierbar kontrollieren.

In der Vergrößerung erkennt man die nur etwa 20 nm breiten Gate-Strukturen über dem elektrischen Kanal des Einzel-Elektron-Transistors. (Quelle: NIST/NTT)

In einem SET schalten die Elektronen, wenn sie durch eine Coulomb-Barriere tunneln. Bei dem jetzt verwirklichten Transistor ließen sich diese Barrieren über unterschiedliche Steuerspannungen von –1,5 bis 2,5 Volt an den wenige Nanometer feinen Gate-Strukturen des Transistors gezielt beeinflussen. Die Leitfähigkeiten veränderten sich dabei kontrolliert über drei Größenordnungen (10 ^–6 bis 10 ^–9 Siemens). Für die Fertigung der etwa 20 Nanometer feinen Silizium- und Siliziumdioxidzungen des Transistors nutzten die Forscher die Elektronenstrahl-Lithographie. Aber sie hoffen, vergleichbare Strukturen in Zukunft auch mit den in der Halbleiterindustrie bevorzugt genutzten lithographischen Methoden herstellen zu können, bei denen ultraviolettes Licht verwendet wird.

Die NTT- und NIST-Forscher sehen in ihrem SET einen wichtigen Schritt hin zu vielfältig nutzbaren Schaltelementen. Die reproduzierbare Kontrolle der Tunnelbarrieren spricht dafür. Allerdings zeigte der SET dieses Verhalten nur in einer mit flüssigem Helium auf etwa vier Kelvin tiefgekühlten Umgebung. Höhere Betriebstemperaturen, die für einen marktfähigen SET-Chip eine unbedingte Voraussetzung sind, sollen durch die heute für Speicher und Prozessoren verwendete CMOS-Technik (komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) möglich werden. Jedoch erst, wenn die Strukturen der CMOS-Schaltkreise in den Größenbereich unter zehn Nanometer vordringen.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, März 2006, S. 14

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. Fujiwara et al., Appl. Phys. Lett. 88, 053121 (2006)