Moleküle machen Siliziumschicht lichtempfindlich

Je nach Lichtwellenlänge werden der Schicht Elektronen entzogen oder zugeführt.

Mit fortschreitender Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente werden deren funktionelle Halbleiterschichten immer dünner. Bisher wurden die elektrischen Eigenschaften dieser Schichten durch den Grad der Dotierung mit Fremdatomen bestimmt. Bei Schichtdicken unterhalb von 50 nm spielen jedoch die Verhältnisse an der Schichtoberfläche eine entscheidende Rolle. So lässt sich die Zahl der beweglichen Ladungen in dünnen Siliziumschichten durch Absorption von Fremdmolekülen auf der Schichtoberfläche verändern. Darüber hinaus kann man mit dieser molekularen Dotierung die Leitfähigkeit einer Siliziumschicht lichtabhängig machen, wie Forscher von der Rice University berichten.

Um den Einfluss von adsorbierten Fremdmolekülen auf das Silizium zu untersuchen, haben James Tour und seine Kollegen MOSFET-ähnliche Bauelemente auf einem SOI-Wafer (Silicon on Insulator) hergestellt. Die Elemente enthielten eine 450 nm dicke, p-dotierte Siliziumschicht, längs der ein elektrischer Strom von einem Source- zu einem Drain-Kontakt fließen konnte. In den Experimenten wurden sowohl n- als auch p-dotierte Kontakte benutzt, sodass der Strom mal durch Elektronen-, mal durch Löcherleitung zustande kam. Die Siliziumschicht saß auf einer isolierenden Siliziumoxidschicht, unter der sich ein mit einer Goldelektrode kontaktiertes Backgate befand. Mit der am Backgate liegenden Gate-Spannung ließ sich der Strom zwischen Source und Drain beeinflussen.

Abb.: Schematische Darstellung des MOSFETs und der Elektronenwanderungen bei verschiedenen Lichteinflüssen; links sichtbares-, rechts UV-Licht. (Bild: Advanced Materials, Wiley)

Zwischen Source und Drain war ein etwa 100 µm großes Quadrat der Siliziumoberfläche offen zugänglich. Hier ließen die Forscher der Reihe nach unterschiedliche organische Moleküle (u. a. ein Spiropyranderivat) chemisch an die Siliziumoberfläche binden. Anschließend untersuchten sie, wie sich die elektrischen Eigenschaften des MOSFET änderten, wenn die jeweils gebundene Molekülmonolage mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht bestrahlt wurde. In allen untersuchten Fällen zeigte das Bauelement die für MOSFETs charakteristische Kennlinie für den Source-Drain-Strom und der anliegenden Spannung: Für kleine Spannungswerte stieg der Strom zunächst linear an, um dann eine Sättigung zu erreichen. Die Stärke des Anstiegs und die Größe des Sättigungsstroms hingen indes von der Gatespannung ebenso ab wie von der Belichtung der Schicht.

Wurde der Strom zwischen Source und Drain durch Elektronen (Löcher) transportiert, so konnte er mittels einer hinreichend starken negativen (positiven) Gate-Spannung unterdrückt werden. Oberhalb einer Schwellenspannung konnte der Strom fließen. Der Wert dieser Schwellenspannung ließ sich durch Belichtung der molekülbehafteten Siliziumschicht reversibel verändern. Wenn man die Schicht mit sichtbarem Licht bestrahlte, so wurde die Elektronenleitung erleichtert, die Löcherleitung hingegen behindert. In beiden Fällen verschob sich die Schwellenspannung um einige Zehntel Volt in negative Richtung. Die Forscher schließen daraus, dass die Moleküle bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht Elektronen an die Siliziumschicht abgegeben hatten.

Wurde die Schicht hingegen mit UV-Licht bestrahlt, so behinderte dies die Elektronenleitung, während es die Löcherleitung erleichterte. Jetzt verschob sich die Schwellenspannung in positive Richtung. Offenbar hatte das UV-Licht die Moleküle dazu gebracht, Elektronen aus der Siliziumschicht herauszuziehen. Durch wechselnde Bestrahlung mit sichtbarem und ultraviolettem Licht ließ sich die Schwellenspannung hin und her bewegen und damit der Strom in der Siliziumschicht nach Belieben steuern. Auf diese Weise könnte man z. B. Bauelemente im Nanometerbereich optisch schalten. Da die Schwellenspannung zudem von der Art der gebundenen Moleküle abhing, sehen die Forscher auch die Möglichkeit, chemische Sensoren aus dünnen Siliziumschichten herzustellen.

RAINER SCHARF



Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Tao He et al.: Reversible Modulation of Conductance in Silicon Devices via UV/Visible-Light Irradiation. Adv. Mater. 20, 1 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1002/adma.200703084
  

• Gruppe von James M. Tour an der Rice University:
  http://www.ruf.rice.edu/~kekule/
  

Weitere Literatur:

• P. Zhang et al.: Electronic transport in nanometre-scale silicon-on-insulator membranes. Nature 439, 703 (2006)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04501
  

• R. Scharf: Ein leitfähiger Hauch Silizium. pro-physik (9.2.2006)
  http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=7558
  

• S. M. Sze, Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices, 3rd ed. (Wiley, Hoboken 2007)
  http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/bookhome/112590340
  

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