Elektronisch schalten mit Rekordschwindigkeit

Mit Schaltraten im Terahertz-Bereich scheint die Geschwin­dig­keit von Transis­toren bald an ihre Grenzen zu stoßen. Doch noch höhere Geschwin­dig­keiten könnten erreicht werden, wenn man das etab­lierte Silizium durch andere Halb­leiter ersetzt. Diesen Aus­blick eröffnet jetzt ein Ergebnis japa­nischer Wissen­schaftler, die im Verbindungs­halb­leiter Gallium­nitrid eine extrem schnelle Dipol­oszil­lation mit einer Perio­di­zität von nur 860 Atto­sekunden ange­regt haben. Obwohl es sich um ein Grund­lagen­expe­riment zu den elek­tro­nischen Eigen­schaften von Gallium­nitrid handelt, könnten diese Oszil­la­tionen zu photo­nischen oder elek­tro­nischen Schalt­kreisen mit Peta­hertz-Raten führen.

„Die Studie zeigt das Potenzial für eine zukünftige Peta­hertz-Techno­logie, die auf gewöhn­lichen Halb­leitern mit breiten Band­lücken beruhen“, sagt Hiroki Mashiko von den NTT Basic Research Labo­ra­tories in Atsugi. Mit seinen Kollegen von der Tokyo Uni­ver­sity of Science regte er mit kurzen Laser­pulsen im nahen Infra­rot­bereich in einem epi­taktisch gewach­senen Gallium­nitrid-Kristall einen Multi­photonen-Prozess an. In dem nur 102 Nano­meter dünnen Halb­leiter mit einer Band­lücke von 3,35 eV waren jeweils drei NIR-Pulse mit einer Energie von 1,6 eV nötig, um Elek­tronen vom Valenz­band in das Leitungs­band an­zu­heben.

Nach dieser Anregung konnten die Forscher die elek­tro­nische Dynamik im Halb­leiter­kristall mit einem iso­lierten Atto­sekunden­puls analy­sieren. Dabei zeigten sich schnelle Dipol­oszil­la­tionen, die einem extrem schnellen Wechsel zwischen zwei elek­tro­nischen Zu­ständen mit einer Frequenz von 1,16 Peta­hertz ent­sprachen. Das ist die bisher höchste Frequenz, die jemals für elek­tro­nische Über­gänge in einem Halb­leiter ge­messen werden konnte.

Trotz des eindrucksvollen Ergebnisses ist es bis zu einem Computer­chip, der mit Peta­hertz-Raten schaltet, noch ein weiter Weg. Zuerst müsste aus Gallium­nitrid ein ent­sprechender Feld­effekt­transistor ent­wickelt werden, der die extrem schnellen elek­tro­nischen Über­gänge nicht nur nach einer optischen, sondern auch nach einer elek­trischen An­regung voll­ziehen könnte. Danach wäre es vor­stell­bar, Schritt für Schritt immer kom­plexere Chip­struk­turen auf der Basis von Gallium­nitrid zu ent­wickeln. Alter­nativ könnten die Peta­hertz-Raten auch mit optischen Modulen und zu­künftigen Photonik-Chips ange­strebt werden.

Jan Oliver Löfken

RK