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Nanoelektronik : Der Transistor ist geschrumpft

Der Einatom-Transistor unter dem Rastertunnelmikroskop: Zwischen zwei Steuerelektroden sitzt das Phosphoratom (rot). Bild: dapd / University of New South Wales

Einen Transistor, dessen zentrales Schaltelement, aus einem einzelnen Atom besteht, haben australische Forscher gebastelt.Das Bauteil könnte zukunftsweisend sein.

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          Kleiner, schneller, besser - dieses Motto scheint auf keinem Gebiet so sehr zu gelten wie in der Halbleiterelektronik, wo man mit immer verfeinerten Verfahren zunehmend kompaktere Schaltkreise fertigt. Dass es bei der Miniaturisierung offenbar keine Grenze nach unten zu geben scheint, haben nun amerikanische und australische Forscher demonstriert. Sie haben einen funktionsfähigen Transistor hergestellt, dessen zentrales Element ein einzelnes Phosphoratom ist.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Ein Atom als Schalter

          Für den Bau ihres Einatom-Transistors ätzten die Wissenschaftler in eine von Wasserstoffatomen geschützte Siliziumoberfläche einen winzigen Graben, indem sie an einer Stelle einzelne Wasserstoffatome entfernten. In dem Graben deponierten sie dann Phosphoratome. Durch eine chemische Reaktion wurde schließlich ein einziges Atom an einer freien Bindung der Silizium-Oberfläche fixiert. Anschließend füllten die Forscher die Furche mit Siliziumatomen wieder auf und verbanden das Phosphoratom mit Metallelektroden. Tests ergaben, dass sich das winzige Bauteil wie ein gewöhnlicher Feldeffekttransistor verhielt. Über eine Steuerspannung ließ sich die Stärke des Stromes regeln, der durch das Phosphoratom floss, und so die Schaltzustände „An“ oder „Aus“ verwirklichen, berichten die Forscher in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“ (doi: 10.1038/NNANO.2012.21).

          Präzision dank Konstruktionsplan

          Das Bauteil ist nicht der erste Einatom-Transistor, der gebaut wurde. Bei den bisherigen Modellen war man meist darauf angewiesen, dass sich die Komponenten zufällig zu einem funktionsfähigen Transistor anordneten. Simmons und ihre Kollegen sind bei der Fertigung ihres Bauteils nun nach einem Konstruktionsplan vorgegangen, mit dem es möglich ist, ein einzelnes Atom präzise auf einem Siliziumkristall zu plazieren und elektrisch zu verschalten. Damit haben die Forscher auch einen Weg aufgezeigt, wie sich Bauteile im atomaren Maßstab reproduzierbar herstellen lassen.

          Hat Moore weiterhin Recht?

          Somit könnte das Moore’sche-Gesetz, nach dem sich die Größe der Halbleiterstrukturen alle 18 Monate halbiert, auch noch in zehn Jahren Gültigkeit besitzen. Folgt man der Prognose, hätten um das Jahr 2020 die kleinsten Strukturen auf einem Mikrochip nur noch die Abmessungen von Atomen. Einen Schönheitsfehler hat der Einatom-Transistor der australischen Forscher allerdings. Er funktioniert nur unter extrem guten Vakuumbedingungen und bei minus 196 Grad - einer Temperatur, unterhalb der Stickstoff flüssig ist.
           

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