Fortschritt in der Transistor-Miniaturisierung

Physiker der Universität Augsburg haben besonders schnelle Transistoren, so genannte High-Electron-Mobility Transistoren (HEMTs), aus Oxiden hergestellt. Die Verwendung von Oxiden könnte in Zukunft eine noch stärkere Miniaturisierung dieser Transistoren ermöglichen.

Bisher waren die HEMTs aus gewöhnlichen Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid aufgebaut. Fügt man zwei Schichten aus verschiedenen Oxiden zusammen, so kann sich zwischen ihnen eine hauchdünne Grenzschicht mit einer Elektronengaswolke ausbilden. In dieser nur zwei Nanometer dünnen Grenzschicht befinden sich die Elektronen in einem Quantenzustand, der die Bewegung senkrecht zu den Schichten blockiert. Dadurch kann dort der Strom nur parallel zu den Schichten fließen. Die Elektronen bilden also ein zweidimensionales Elektronengas. Aus diesem Grund sind sie sehr beweglich und schnell.

Die Goldkontakte an den Rändern der Probe sind etwa 200 Mikrometer breit. Das Elektronengas befindet sich unter den Stegen. (Quelle: Thorsten Naeser)
Die Goldkontakte an den Rändern der Probe sind etwa 200 Mikrometer breit. Das Elektronengas befindet sich unter den Stegen. (Quelle: Thorsten Naeser)

Die Augsburger Physiker haben nun eine solche Grenzschicht zwischen den Oxiden Strontiumtitanat und Lanthanaluminat untersucht. Dazu stellten sie mittels eines Hochleistungslasers Doppelschichten dieser Oxide her, deren Dicke sie auf atomarer Skala genau einstellen konnten. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die Leitfähigkeit des Elektronengases mit der Dicke der oberen Oxidschicht (Lanthanaluminat) sprunghaft ändert. Nachdem die Forscher eine, zwei oder drei Kristalllagen aus Lanthanaluminat, aufgebracht hatten, bildete sich eine hochgradig isolierende Grenzschicht. Eine Kristalllage ist hierbei nur 0,4 Nanometer dick. Beträgt die Dicke der Lanthanaluminat-Schichten aber vier Kristalllagen oder mehr, wird die Grenzschicht schlagartig leitfähig, dann allerdings sehr gut.

Da das Elektronengas in den Kristallen mit den drei Lagen zwar perfekt isolierend, aber dennoch fast leitfähig ist, lässt es sich überaus leicht durch eine elektrische Spannung, die senkrecht zur Grenzfläche angelegt wird, in den leitfähigen Zustand schalten. Damit kann die gesamte Anordnung als Transistor verwendet werden und so als Verstärker und Schalter von elektrischen Strömen dienen. Die Oxid-HEMTs bieten neue Perspektiven zur Miniaturisierung. Denn es sind mehr Elektronen in der Grenzschicht zwischen den Lagen vorhanden. Zudem wird das Schalten in den leitfähigen Zustand durch einen so genannten Quantenphasenübergang noch verstärkt. (Detlef Scholz/mje)

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