Bitte ein Elektron pro Bit

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Milliarden kleinster Computer werden bald über das Internet miteinander kommunizieren. Da fließt eine Menge Strom durch Trillionen von Transistoren. Könnten die mit nur einem Elektron schalten, wäre der Energieverbrauch erheblich niedriger.

Die „elektronischen“ Hauptdarsteller sind ohne Zweifel Transistoren. Mittlerweile drängeln sich Milliarden davon auf immer kleinere Chips. Da wird es richtig heiß, und Quanteneffekte machen zunehmend Schwierigkeiten. Neue Konzepte müssen also her.

Schon seit längerem liebäugeln Wissenschaftler deshalb mit sogenannten Einzelelektronen-Transistoren (Single Electron Transistor: SET). Sie produzieren extrem wenig Abwärme, da sie nur mit einem einzelnen Elektron schalten. Und quantenmechanische Effekte führen erst zu den gewünschten Eigenschaften.

Unglücklicherweise funktionieren die Exoten derzeit nur bei tiefen Temperaturen und sind zudem nicht mit der CMOS-Technologie kompatibel. Das neue EU-Forschungsprojekt „Ions4Set“ soll das jetzt ändern.

Sparsame Einzelelektronen-Transistoren

Einzelelektron-Transistor
Schematischer Aufbau eines neuartigen Einzelelektronen-Transistors nach dem „gate-all-around“-Prinzip: In einer Nanosäule umschließt eine isolierende Schicht den zentralen Quantenpunkt.
(Bild: HZDR).

Das Geheimnis der „elektrischen“ Genügsamkeit der SETs sind Quantenpunkte. Das sind einige hundert Silizium-Atome – eingebettet in einer isolierenden Schicht zwischen zwei leitfähigen Schichten. Damit die Anordnung bei Raumtemperatur funktioniert, muss der Quantenpunkt kleiner als fünf Nanometer sein, und der Abstand vom Quantenpunkt zu den leitfähigen Schichten darf nicht mehr als zwei bis drei Nanometer betragen. An diesen Anforderungen scheiterte bislang die Nano-Elektronik.

Selbstorganisation in Nano-Säulen

Ein bisher unentdeckter Mechanismus bildet nun die erforderlichen Quantenpunkte quasi wie von selbst. Dazu stellten die Wissenschaftler vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR rund 20 Nanometer schlanke Säulen aus Silizium her, in die eine sechs Nanometer dünne Scheibe aus dem Isolator Siliziumdioxid kommt. Durch den Beschuss der Nano-Säule mit schnellen geladenen Teilchen werden Silizium-Atome in den Isolator hineingestoßen. Erhitzt man die Strukturen anschließend stark, finden sich die Atome in der Mitte der isolierenden Scheibe zu einem einzelnen Silizium-Quantenpunkt zusammen.

Um milliardenfach wiederholbar und zuverlässig SET-Bauteile aus Nano-Säulen herstellen zu können, haben sich nun im Projekt führende europäische Forschungseinrichtungen sowie die Großen der Halbleiterbranche – Globalfoundries, X-FAB, STMicroelectronics – zusammengetan.

Einzelelektronen-Transistoren (SET) + FET

Das neuartige Bauelement besteht aus Einzelelektronen-Transistoren (SET) und Feldeffekttransistoren (FET). Letztere geben die Ergebnisse der SET-Operationen an andere Chips oder Geräte weiter. (Bild: HZDR).