TU Delft werpt licht op atomaire transistor
Onderzoekers van de TU Delft en de Stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) zijn erin geslaagd transport door een enkel atoom in een transistor te realiseren. Dit onderzoek heeft nieuwe inzichten verschaft in het gedrag van zogenoemde doteringsatomen in silicium halfgeleidermateriaal. De wetenschappers kunnen één enkel doteringsatoom in een realistische halfgeleideromgeving beïnvloeden en bemeten. Het individuele gedrag van doteringsatomen is een struikelblok voor de verdere miniaturisering van elektronica. De onderzoekers publiceren hierover deze week in Physical Review Letters.
De huidige elektronica maakt gebruik van halfgeleidermateriaal dat bestaat uit silicium met daarin zogenoemde doteringsatomen (dopants). Deze 'verontreinigingen' zijn noodzakelijk om het silicium de gewenste elektronische eigenschappen te geven. Door de voortschrijdende miniaturisering dreigt de situatie te ontstaan dat de eigenschappen van twee op geheel identieke wijze gefabriceerde chips toch van elkaar verschillen. Het aantal doteringsatomen per transistor is namelijk zo klein aan het worden (slechts enkele tientallen) dat zij niet meer beschouwd kunnen worden als een continuüm. De positie en het effect van elk individueel atoom wordt van invloed op het functioneren van de totale transistor. Dit betekent effectief dat zelf perfect gefabriceerde transistoren zich niet identiek gedragen. Voor de elektronica-industrie is dat een uiterst verontrustende situatie, die bovendien al over enkele jaren nijpend kan worden.
Onderzoekers Sellier, Lansbergen, Caro en Rogge van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft en de Stichting FOM, zijn er in geslaagd om metingen te doen aan één enkel doteringsatoom in een realistische halfgeleideromgeving. De onderzoekers, afkomstig uit de sectie Photronic Devices, hebben in deze situatie transport van lading door één atoom waargenomen. De Delftenaren kunnen het kwantummechanische gedrag van één enkel doteringsatoom meten en beïnvloeden. Ze zijn er bijvoorbeeld in geslaagd om één of twee elektronen in een bepaalde schil van het atoom aan te plaatsen.
De Delftenaren zijn uitgegaan van een geavanceerde industriële transistor (een MOSFET), als prototype gemaakt door IMEC, het Leuvense onderzoekscentrum voor micro-elektronica. Deze transistor bestaat uit een silicium nanodraad, met een breedte van circa 35 nanometer, en de stroom vloeit door één enkel doteringsatoom (in dit geval arseen). De nanodraad is gekoppeld aan een 'gate'; door het aanbrengen van een spanning op de gate laat men elektronen door het siliciumgebied met daarin het arseen atoom stromen (van de 'source' naar de 'drain'). Door gedetailleerde metingen van het stroomgedrag heeft men de bijzondere effecten kunnen waarnemen.
Het is niet zo dat het onderzoek een directe oplossing biedt voor het hiervoor geschetste miniaturiseringprobleem, maar het verschaft de industrie wel meer inzicht in het (kwantummechanische) gedrag van schakelingen op de nanoschaal. Anderzijds is het werk van het Kavli Institute of Nanoscience Delft uit puur natuurkundig oogpunt zeer interessant. Niet alleen verschaft de transistor die men heeft onderzocht nieuw inzicht in atoomfysica binnen in de vaste stof, maar deze lijkt ook op de structuren die nodig zijn voor de bouw van een bepaald type kwantumcomputer gebaseerd op doteringsatomen in silicium, het Kane ontwerp. Deze nog zuiver theoretische computer is gebaseerd op structuren in silicium. Het gebruik van een reeds zeer bekende halfgeleider heeft als groot voordeel dat een dergelijke kwantumcomputer waarschijnlijk relatief gemakkelijk met silicium nanotechnologie te bouwen is.
Het artikel verschijnt onder de title "Transport Spectroscopy of a Single Dopant in a Gated Silicon Nanowire" in Physical Review Letters volume 97 issue 20, page 206805, 2006. De auteurs zijn: H. Sellier, G. P. Lansbergen, J. Caro, and S. Rogge, N. Collaert, I. Ferain, M. Jurczak, and S. Biesemans.
Meer informatie: dr. Sven Rogge, Kavli Institute of NanoScience, Delft University of Technology, phone: +31 (0)15 278 24 95.