Ein-Elektron-Transistor aus Silizium

Tausende von Elektronen müssen sich heute in den kleinsten Transistoren in Bewegung setzen, um jeweils ein einziges Bit zu schalten. Lässt sich diese Anzahl reduzieren, locken schnellere Schaltkreise mit einem stark verringertem Stromverbrauch. Wissenschaftler aus Japan und den USA bauten nun einen "Ein-Elektron-Transistor" auf der Basis von Silizium auf.

Kontakte des EIn-Elektron-Transistors
Kontakte des EIn-Elektron-Transistors

Kanagawa (Japan) - Wie sie in der Fachzeitschrift "Applied Physics Letters" beschreiben, gelang ihnen dabei erstmals die reproduzierbare Kontrolle winziger Schaltströme zwischen 0 und 1,4 Milliardstel Ampère. Erst seit wenigen Jahren arbeiten Physiker an diesen "Ein-Elektronen-Transistoren" (SET, single electron transistor) aus metallischen Nanodrähten oder Galliumarsenid-Strukturen.

Grundsätzlich schalten in diesen winzigen Module Elektronen über einen quantenphysikalischen Effekt: Sie "tunneln" durch einen Potenzialberg, der Coulombbarriere genannt wird. Bei dem jetzt verwirklichten Transistor ließen sich diese Barrieren über unterschiedliche Steuerspannungen (-1,5 - 2,5 Volt) an den wenige Nanometer feinen Gate-Strukturen des Transistors gezielt beeinflussen. Die Leitfähigkeiten veränderten sich dabei kontrolliert über drei Größenordnungen, so die Forscher vom Elektronikkonzern NTT in Kanagawa und dem National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg (NIST).

Für die Fertigung der etwa 20 Nanometer feinen Silizium- und Siliziumdioxidzungen des Transistors nutzten die Forscher die Elektronenstrahl-Lithografie. Aber sie hoffen, vergleichbare Strukturen in Zukunft auch mit den in der Halbleiterindustrie bevorzugt genutzten lithografischen Methoden herstellen zu können, für die ultraviolettes Licht verwendet wird.

Die NTT- und NIST-Forscher sehen in ihrem SET einen wichtigen Schritt hin zu vielfältig nutzbaren Modulen, in denen nur noch wenige Elektronen Bits schalten können. 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 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.