Mikroelektronik: Wie eine Vakuumröhre - nur klein, stromsparend und schnell
Ingenieure der University of California in San Diego haben ein neues Gerät entwickelt(öffnet im neuen Fenster), das alle Funktionen eines Transistors erfüllen kann, aber kein Halbleitermaterial benötigt. Bei der Konstruktion des Geräts haben sie sich am Prinzip der Vakuumröhre orientiert, es aber entscheidend verbessert. Die Elektronen werden nicht mehr von beheizten Glühwendeln freigesetzt, sondern mit einer Kombination aus elektrischen Feldern und stromsparenden Laserdioden.
Anders als bei Transistoren findet der Schaltvorgang in einer Vakuumröhre nicht in einem Halbleitermaterial statt. Das hat den Vorteil, dass sich die Elektronen viel freier bewegen können, was höhere Schaltgeschwindigkeiten als in Transistoren verspricht. Die Geräte wären auch viel resistenter gegen Überspannung oder Strahlung im Weltraum und könnten auch höhere Leistungen als vergleichbare Transistoren aushalten. Bisher scheiterten Konzepte für solche miniaturisierten Elektronenröhren vor allem am Verschleiß und der Inkompatibilität mit herkömmlicher Halbleitertechnik.
Das Gerät kann mit lithographischen Prozessen(öffnet im neuen Fenster) hergestellt werden, wie sie aus der Halbleitertechnik bekannt sind. So könnte es direkt in die Elektronik integriert werden, wo seine Eigenschaften benötigt werden. Denn trotz aller Miniaturisierung haben diese sogenannten "Photoemission-based microelectronic devices" immer noch eine Größe von etwas mehr als 20 Mikrometern und sind damit ähnlich groß wie die Transistoren der frühen 1970er Jahre.
Freie Elektronen mit Licht statt Glühwendeln
Wie in einer Elektronenröhre(öffnet im neuen Fenster), müssen auch in dem neuen Gerät zunächst freie Elektronen erzeugt werden. Dazu mussten sie bisher mit viel Energie dem Material entrissen werden. In der klassischen Röhre wurden dazu Glühwendeln auf fast 1.000 Grad Celsius erhitzt. Das führt langfristig zu Schäden und damit zu Verschleiß. Um diesen Verschleiß zu vermeiden, musste eine möglichst sanfte Methode gefunden werden, um Elektronen aus dem Material zu befreien. Dazu kombinierten die Ingenieure zwei Methoden – die Photoemission durch infrarotes Laserlicht und die Feldemission durch starke elektrische Felder.
Elektronen können durch sehr energiereiche Photonen von ultraviolettem Licht direkt aus einer Metalloberfläche gelöst werden. Sie geben den Elektronen gerade genug Energie, um die Kräfte zu überwinden, die sie in dem Metall halten. Photonen mit zu wenig Energie, wie sichtbares oder infrarotes Licht, können das nicht. Das ist der sogenannte photoelektrische Effekt.(öffnet im neuen Fenster) Albert Einstein hat durch seine Erklärung des Effekts 1905 nachgewiesen, dass Licht aus einzelnen Teilchen, den Photonen, besteht. Dafür bekam er seinen Nobelpreis in Physik.
Leider gibt es noch keine kleine und effiziente Energiequelle, die Licht mit ausreichend energiereichen Photonen erzeugen kann. Dabei könnten die Elektronen nicht nur von einzelnen Photonen in einem Schritt aus der Oberfläche gelöst werden, sondern auch von mehreren Photonen, die zusammen genug Energie dafür haben.
Dabei dürfen die Elektronen aber zwischenzeitlich nicht ihre Energie verlieren. Das tun sie aber sehr schnell und so müssten sehr viele Photonen in sehr kurzer Zeit auf die Elektronen in der Metallschicht treffen, um sie herauszulösen. Mit einem Infrarotlaser wären die dafür nötigen Leistungsdichten allerdings titanisch. Auf einer einfachen Oberfläche würden etwa eine Billion Watt pro Quadratzentimeter benötigt. Aber das lässt sich dank der Physik deutlich verbessern.
Das Licht bringt Schwung in die Elektronen
Die nötige Energie, um Elektronen aus der Metalloberfläche zu entfernen, kann gesenkt werden, wenn zuvor die Elektronen in der Oberfläche zu Schwingungen angeregt werden, zu sogenannten Oberflächenplasmonen. Die Elektronen haben dann ein höheres Energieniveau und können so leichter aus der Oberfläche gelöst werden. Um sie zu den Schwingungen anzuregen, werden die Eigenschaften von Photonen als elektromagnetische Wellen ausgenutzt.
Auf einfachen Oberflächen können diese Schwingungen aber nicht von Licht angeregt werden. Wenn die angeregten Plasmone die gleiche Frequenz haben wie das Licht, mit denen sie angeregt werden sollen, sind sie viel kleiner als die Wellenlänge von Licht mit der gleichen Frequenz. Das Licht würde einen zu großen Teil der Oberfläche gleichzeitig beeinflussen. Es kann aber gelingen, wenn die Oberfläche so strukturiert ist, dass die Photonen nur mit einer kleinen Fläche interagieren.
In dem Gerät wird Licht mit einer Wellenlänge von 785 Nanometer verwendet und die Plasmone in etwa 300 Nanometer großen, runden Strukturen aus Gold angeregt. In dem Gerät sehen diese Strukturen aus wie Pilze in einem quadratischen Gitter, im Hut der Pilze werden die Plasmone angeregt. Die Plasmone verringern auch den nötigen Aufwand, um Elektronen durch ein elektrisches Feld aus dem Metall zu lösen. Das ist die sogenannte Feldemission.
Ein paar Volt reichen aus
Die Feldemission(öffnet im neuen Fenster) leistet in dem Gerät die eigentliche Arbeit. Dafür wird zwischen dem Pilz und einem elektrischen Leiter, unterhalb von dem Hut des Pilzes, eine Spannung angelegt. Dafür reichen wenige Volt aus. Die Feldstärke an einem bestimmten Ort hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die wichtigsten Faktoren sind der Spannungsunterschied zwischen zwei Orten, ihr Abstand und die Form der Oberfläche. Der Abstand zwischen dem unteren Leiter und dem Hut beträgt etwa 225 Nanometer. Eine Spannung von einem Volt reicht dabei schon für eine Feldstärke von über 4 Millionen Volt pro Meter.
An den Hutkanten wird die lokale Feldstärke durch das Zusammenlaufen der Feldlinien nochmals verstärkt. Die Plasmonen führen erneut zu einer zusätzlichen Verstärkung um etwa das 25-fache. Zusammen reicht das aus, um freie Elektronen mit Spannungen unter 10 Volt und einer einfachen Laserdiode zu erzeugen. Anstatt bis zu eine Billion Watt reichen dazu 5 bis 40 Watt pro Quadratzentimeter aus. Wegen der kleinen Fläche benötigt das Gerät damit weniger als ein Milliwatt Laserleistung.
Die Leitfähigkeit des Geräts kann sowohl durch die angelegte Spannung als auch die Leistung des Lasers beeinflusst werden. Außerdem muss es nicht im Vakuum betrieben werden. Allerdings hat es bei normalem Luftdruck eine etwas schlechtere Leistung. Bis das Gerät tatsächlich einsatzfähig ist, muss noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden. Der Prototyp sollte vor allem nachweisen, dass es möglich ist, Elektronen mit niedrigen Spannungen und geringer Laserleistung aus der Oberfläche zu lösen.