Ein Lichtschalter der anderen Art

  • 07. August 2017

Optische Signale steuern Strom durch Nanodraht aus Silizium.

Das Ende der Miniaturisierung integrierter Schaltkreise auf Basis von Silizium ist absehbar. Parallel dazu läuft die Suche nach alter­na­tiven Konzepten auf Hoch­touren. Dabei birgt zwar nicht jeder Vorschlag das Potenzial, herkömm­liche Rechner in Zukunft zu ersetzen – manche könnten dennoch für spezielle Anwen­dungen interes­sant werden. So etwa ein von Forschern aus Südkorea vorge­stellter Transistor, der sich mit Hilfe von Licht ein- und aus­schalten lässt. Auch die Reali­sierung ein­facher Logik­gatter ist den Wissen­schaftlern bereits gelungen und aufgrund der hohen Licht­empfind­lich­keit bietet sich das System darüber hinaus als Grund­lage für eine neue Art von Photo­detek­toren an.

Lichtschalter

Bild: SEM-Bild eines lichtgeschalteten Transistors (links). Schema­tische Dar­stellung eines Oder-Gatters (rechts; Bild: Kim et al. / NPG).

Durch Photonen gesteuerte, elektronische Schaltkreise gelten als eines der höchsten Ziele in der Photonik. In den letzten Jahren wurden immer wieder rein optische Transis­toren vorge­stellt, in denen Photonen andere Photonen steuern oder Photo­transis­toren, deren Antwort­verhalten durch Strahlung einge­stellt oder verstärkt werden kann. Die Forscher­gruppe um Hong-Gyu Park hat nun einen einfachen und offenbar zuver­lässigen Weg gefunden, Strom rein optisch zu schalten – völlig ohne den Einsatz eines elek­tro­nischen Gatters.

Das Herzstück des neuartigen Systems ist ein Nanodraht aus kristal­linem, n-dotiertem Silizium, in dessen Mitte sich ein mindestens hundert Nano­meter langer Bereich aus porösem Silizium befindet. Liegt an den Enden des Drahtes eine Spannung von bis zu fünf Volt an, so wirkt der poröse Teil als Isolator und es fließt ledig­lich ein Dunkel­strom von wenigen Piko­ampere. Der Hypo­these der Forscher zufolge sind in diesem Zustand die inji­zierten Ladungs­träger in lokali­sierten elektro­nischen Zuständen im porösen Silizium gefangen, was einen Strom­fluss ver­hindert. Ist der poröse Mittel­teil jedoch kontinu­ier­licher Bestrah­lung mit einer Wellen­länge von 658 Nano­metern ausge­setzt, werden die gefan­genen Ladungs­träger in höhere elektro­nische Zustände gehoben und das Material wird leit­fähig. Für einen Draht mit einem Durch­messer von unge­­fähr 200 Nanometern mit einem 450 Nano­meter langem, porösem Segment floss unter Bestrah­lung mit einer Leistung von 0,74 Milli­watt ein Strom von 16 Mikro­ampere, was einem On/Off-Verhältnis von 8 × 106 entspricht.

Zur Herstellung und Strukturierung der Drähte nutzten Park und seine Kollegen eine spezielle Form des chemischen Ätzens, bei der ein feines Gold­gitter als Kataly­sator zum Einsatz kommt. Das Gitter weist eine regel­mäßige Anord­nung von Löchern auf, deren Durch­messer dem Durch­messer der gewünschten Nano­drähte entspricht. Es wird auf das n-dotierte Silizium­substrat gelegt, worauf­hin beide gemein­sam in der Ätz­flüssig­keit gelegt werden. Nur wo das Silizium in Kontakt mit dem Gold ist, findet ein effek­tives Ätzen statt, wodurch sich das Gitter sozu­sagen durch das Material „frisst“ und nur an den Posi­tionen jedes seiner Löcher einen feinen Nano­draht aus kristal­linem Silizium stehen lässt. Um die kurzen Bereiche aus porösem Silizium zu erzeugen, legten die Forscher während dieses Vorgangs für kurze Zeit eine schwache, elek­trische Spannung an das Gitter, was den Ätz­prozess ent­sprechend beein­flusst. Anschlie­ßend trans­ferierten sie die fertigen, segmen­tierten Drähte auf ein Substrat und dampften an ihren Enden die elek­trischen Kontakte auf.

Auf diese Art war es den Wissenschaftlern möglich, nicht nur einzelne Transis­toren herzu­stellen, sondern auch einfache Logik­gatter zu reali­sieren. In ihrer Studie zeigen sie ein Und- und ein Oder-Gatter, die jeweils mit zwei unab­hängigen, auf die porösen Segmente fokus­sierten Laser­strahlen geschaltet werden und am Ausgang ein Strom­signal von unge­fähr zehn Mikro­ampere liefern. Außerdem ein NAND-Gatter, das, eben­falls durch Licht gesteuert, ein Spannungs­signal von fünf Volt ausgibt.

Um die hohe Lichtempfindlichkeit des Systems zu demons­trieren, haben Park und seine Kollegen auch noch deut­lich feiner Drähte mit Durch­messern von nur 25 Nano­metern herge­stellt. Die porösen Segmente waren in diesem Fall hundert Nano­meter lang und wiesen damit ein zwei­hundert Mal kleineres Volumen auf als die vorher benutzten. Dabei zeigte sich, dass bei Span­nungen unter zwei Volt unab­hängig von der Strah­lungs­leistung ledig­lich ein vernach­lässig­bar kleiner Strom floss. Ab drei Volt reichte dagegen schon eine Strah­lungs­leistung von drei­hundert Piko­watt, um ein deut­liches Strom­signal im Piko­ampere-Bereich zu erhalten.

Angespornt von diesem Ergebnis haben die Forscher auch noch einen ein­fachen Photo­detektor gebaut. Er besteht aus einem ein­zelnen, geraden Draht mit drei porösen Segmenten im Abstand von jeweils einem Mikro­meter. An den Enden und zwischen den Segmenten war der Draht kontak­tiert, um die Signale der einzelnen Segmente aus­werten zu können. Auf diese Art war es möglich, die Posi­tionen zweier unab­hängiger, jeweils einen Mikro­meter großen Laser­spots mit einer räum­lichen Auf­lösung von eben­falls einem Mikro­meter zu bestimmen.

Thomas Brandstetter

RK

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