Messungen an der Zeitgrenze in Halbleiter-Nanostrukturen

Experimente mit ultrakurzen Laserimpulsen geben direkten Einblick in Schaltprozesse an der Zeitgrenze der modernen Halbleiter-Elektronik.

Gordon Moore prophezeite 1965, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Silizium-Chip alle zwei Jahre verdoppeln wird. Die Integrationsdichte folgt seither erstaunlich genau dieser als Moore’s Law bekannten Regel. Ermöglicht wird diese Entwicklung primär durch eine Verkleinerung der Strukturen. So haben Leiterbahnen meist nur noch eine Breite von 65 Nanometern (1 Nanometer = 10-9 Meter; von griech. „Nanos“, der Zwerg). Die Siliziumoxid-Schichten, die als isolierende Trennschichten dienen, haben nur eine Dicke von 1,5 Nanometern, das sind etwa 6 Atomlagen. Die Entwicklung elektronischer Bauelemente hat damit seit dem ersten Halbleiter-Transistor im Jahre 1947 eine Miniaturisierung über etwa 5 Größenordnungen erreicht und ist bei nahezu atomaren Skalen angelangt.

Die ultrakurzen Längenskalen gehen einher mit einer stetig zunehmenden Geschwindigkeit der Bauelemente. Das detaillierte Verständnis und die zukünftige Weiterentwicklung der Halbleiter-Elektronik erfordern ein präzises Verständnis der Dynamik von Ladungsträgern in Halbleiter auf Zeitskalen von Piko- und Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden). Solche Messungen sind mit elektronischen Methoden prinzipiell nicht möglich. Unser Beitrag Ultraschnelle Ladungsträgerdynamik in Halbleiter-Nanostrukturen erläutert, wie führende Forscher dennoch Messungen an der Grenze der Zeit durchführen. (ala)