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Neuartige Silizium-basierte Einzelelektronenpumpen

25.11.2015

Mit Hilfe von einzelnen Dotieratomen in Silizium-basierten Nanostrukturen können neue Typen von Einzelelektronenpumpen realisiert werden.

 

Einzelelektronenpumpen erzeugen einen quantisierten Strom, indem mit hoher Frequenz eine feste Zahl von Elektronen je Zyklus durch eine Nanostruktur bewegt wird. Dadurch wird ein Strom erzeugt, der nur durch die Pumpfrequenz und den Wert der Elektronenladung festgelegt ist. Die bislang an der PTB untersuchten Einzelelektronenpumpen wurden dabei im Reinraumzentrum der PTB aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid hergestellt. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts „Silicon at the Atomic and Molecular Scale“ untersucht die PTB nun Silizium-basierte Nanostrukturen auf ihre Eignung als Elektronenpumpen. Die Proben werden dabei in einem industriellen CMOS-Prozess bei den Projektpartnern CEA-LETI in Grenoble hergestellt.

Die fortschrittliche CMOS-Fabrikation, mit der auch aktuelle Computerchips hergestellt werden, ermöglicht eine genaue Kontrolle über die Dotierung im Halbleiter. Damit wird es im Prinzip möglich, einzelne Dotieratome gezielt in einer Nanostruktur zu platzieren und für  Einzelelektronenpumpen zu nutzen. Die bisher untersuchten Elektronenpumpen verwenden dafür über die Geometrie definierte Quantenpunkte. Im Vergleich zu diesen sind einzelne Dotieratome deutlich kleiner. Dies verspricht größere Robustheit im Pumpbetrieb.

Weiter ermöglichen Dotieratome die Realisierung von neuartigen Typen von Einzelelektronenpumpen. An der PTB wurde nun erstmals eine Elektronenpumpe realisiert, bei der einzelne Dotieratome die Kopplung eines über die Geometrie definierten Quantenpunkts an die Zuleitungen bestimmen. Dadurch ergeben sich neue Betriebsmodi für die Elektronenpumpe. Sie erlauben die Untersuchung der dynamischen Prozesse beim Transport durch ein System von gekoppelten Quantenpunkten, wodurch ein besseres Verständnis der grundlegenden Physik von Einzelelektronenpumpen möglich wird.

 

Abb. 1: Silizium-Nanodraht mit zwei Gatefingern, hergestellt in einem industriellen CMOS-Prozess. Präzise Kontrolle über die Dotierung des Halbleiters in einer solchen Struktur ermöglicht die Untersuchung des Einflusses einzelner Dotieratome auf den Elektronentransport.