Ultraschnelle Ladungsträgerdynamik in Halbleiter-Nanostrukturen

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

Gordon Moore, Mitbegründer des Chipherstellers Intel, 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 (siehe folgende Abbildung und den dortigen Vergleich mit biologisch relevanten Längenskalen).

Längenskalen in biologischen Systemen und Festkörpern: Oben v. l. n. r. menschliche Eizelle, Salmonellenbakterien, DNA-Strang des zellulären Erbguts. Unten v. l. n. r. erstes Transistorbauelement (1947), Mikroskop-Aufnahme einer kommerziellen Audio-CD, Elektronenmikroskopaufnahme eines kurzkanaligen Feldeffekttransistors mit 30 Nanometer Strukturgröße. (Quelle: Bayerische Akademie der Wissenschaften)
Längenskalen in biologischen Systemen und Festkörpern: Oben v. l. n. r. menschliche Eizelle, Salmonellenbakterien, DNA-Strang des zellulären Erbguts. Unten v. l. n. r. erstes Transistorbauelement (1947), Mikroskop-Aufnahme einer kommerziellen Audio-CD, Elektronenmikroskopaufnahme eines kurzkanaligen Feldeffekttransistors mit 30 Nanometer Strukturgröße. (Quelle: Bayerische Akademie der Wissenschaften)

Die ultrakurzen Längenskalen gehen einher mit einer stetig zunehmenden Geschwindigkeit der Bauelemente. So operieren die Prozessoren der derzeit kommerziell erhältlichen PC-Generation mit Taktraten von einigen Gigahertz, d.h. sie führen mehrere Milliarden Rechenoperationen in einer Sekunde durch. Einzelne, optimierte Bauelemente erreichen Taktraten von 1000 Gigahertz, d.h. für einen Schaltprozess steht ein Zeitfenster von unter einer Pikosekunde (10-12 Sekunden) zur Verfügung. Damit erhalten für die menschliche Vorstellungskraft unzugängliche ultrakurze Zeitskalen unmittelbare Relevanz für unseren Alltag.