Gaithersburg/College Park (pte001/12.05.2020/06:00) – Ein-Atom-Transistoren könnten die Bausteine einer neuen Computer-Generation mit unvorstellbarer Power werden. Einen wichtigen Schritt in Richtung Serienproduktion haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) http://nist.gov und der University of Maryland http://umd.edu gemacht.

Komplizierte Fertigung

Das Rezept sieht die Herstellung in mehreren Schritten vor. Der erste ist in der Forschung bereits etabliert. Eine Silizium-Unterlage wird von Wasserstoffatomen überzogen wie ein Tisch mit einer Decke. Diese klammern sich relativ fest an. Die Bindung ist jedoch nicht stark genug, um der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu widerstehen. Sie kickt die meisten Wasserstoffatome weg, sodass ein Muster entsteht.

Die verbleibenden Atome fungieren als Barriere gegen Monophosphan, ein giftiges Gas, das sich aus Phosphor und Wasserstoff zusammensetzt. Phosphan-Moleküle können nur da andocken, wo Wasserstoff fehlt. Dann wird die Anordnung erwärmt. Dabei trennen sich die Wasserstoffatome vom Phosphor, das in Atomform übrigbleibt. Die Phosphoratome tauschen dann ihre Plätze mit den darunterliegenden Siliziumatomen. Eins davon, das die Transistorrolle übernehmen wird, bleibt eingekesselt zurück.

Siliziumatome wichtig

Auf der Oberfläche werden weitere Siliziumatome angesiedelt, die den verbleibenden Wasserstoff verdrängen. Damit sich ein perfektes Kristallgitter bildet, heizen die Forscher das Gebilde auf. Um eine Verbindung zum eingeschlossenen Phosphoratom herzustellen, applizieren die Wissenschaftler jetzt zwei Kontakte aus Palladium auf der Oberfläche. Es wird erhitzt, sodass es in die Gitterstruktur eindringt. Es bildet gemeinsam mit den Phosphoratomen rechts und links vom eingeschlossenen Teilchen eine elektrische Verbindung von der Oberfläche zum Transistor.

„Die Herstellung von Transistoren aus einem einzigen Atom ist ein schwieriger Prozess, an dem sich manch einer die Zähne ausbeißen dürfte. Aber wir haben die einzelnen Schritte so ausgelegt, dass andere Forscher sie nachvollziehen können“, erklärt NIST-Forscher Curt Richter. Die Funktion der so hergestellten Transistoren basiert auf dem Tunneleffekt, der in der Quantenmechanik, nicht aber in der klassischen Physik vorkommt. Er beschreibt das Phänomen, dass ein Elektron eine Potenzialbarriere, also eine elektrische Spannung, auch dann überspringen kann, wenn seine Energie dazu eigentlich gar nicht reicht.