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Stefan Thiel, Mitarbeiter in der Dünnfilmgruppe des
Lehrstuhls Mannhart, konnte zusammen mit seinen Kollegen zeigen,
dass sich HEMTs auch mit Oxiden realisieren lassen.
Die Goldkontakte an den Rändern der Probe sind etwa 200
Mikrometer breit. Das Elektronengas befindet sich unter den
Stegen.
Fotos: Thorsten Naeser.
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Der große Vorteil der Oxide gegenüber
Halbleitern besteht darin, dass sich die Oxide mit
Materialeigenschaften herstellen lassen, wie zum Beispiel mit einer
besonders hohen Dichte von Elektronen, die man mit Halbleitern nicht
erzielen kann. Durch die Verwendung von Oxiden könnte in Zukunft eine
noch stärkere Miniaturisierung dieser Transistoren möglich werden
(Science Express, siehe unten).
Fügt man zwei Schichten aus verschiedenen Oxiden zusammen, so kann
sich zwischen ihnen eine hauchdünne Grenzschicht ausbilden, die aus
einer Elektronengaswolke besteht. In dieser Grenzschicht, die nur zwei
Nanometer dünn ist, befinden sich die Elektronen in einem
Quantenzustand, der die Bewegung senkrecht zu den Schichten blockiert.
Dadurch kann dort der Strom nur parallel zu den Schichten fließen. Die
Elektronen bilden also ein zweidimensionales Elektronengas. Aus diesem
Grund sind sie sehr beweglich und schnell.
Die Augsburger Physiker haben nun eine solche Grenzschicht zwischen
den Oxiden Strontiumtitanat und Lanthanaluminat untersucht. Dazu
stellten sie mittels eines Hochleistungslasers Doppelschichten dieser
Oxide her, deren Dicke sie auf atomarer Skala genau einstellen
konnten. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die
Leitfähigkeit des Elektronengases mit der Dicke der oberen Oxidschicht
(Lanthanaluminat) sprunghaft ändert. Nachdem die Forscher eine, zwei
oder drei Kristalllagen aus Lanthanaluminat, aufgebracht hatten,
bildete sich eine hochgradig isolierende Grenzschicht. Eine
Kistalllage ist hierbei nur 0,4 Nanometer dick. Beträgt die Dicke der
Lanthanaluminat-Schichten aber vier Kristalllagen oder mehr, wird die
Grenzschicht schlagartig leitfähig, dann allerdings sehr gut.
Wie die Augsburger Forscher vorschlagen, lässt sich dieses sprunghafte
Verhalten hervorragend zum Bau von HEMTs nutzen. Da das Elektronengas
in den Kristallen mit den drei Lagen zwar perfekt isolierend, aber
dennoch fast leitfähig ist, lässt es sich überaus leicht durch eine
elektrische Spannung die senkrecht zur Grenzfläche angelegt wird, in
den leitfähigen Zustand schalten. Damit kann die gesamte Anordnung als
Transistor verwendet werden und so als Verstärker und Schalter von
elektrischen Strömen dienen.
Damit konnten die Augsburger Physiker S. Thiel, G. Hammerl, C. W.
Schneider und J. Mannhart zusammen mit ihrem Kollegen A. Schmehl von
der Penn State University zeigen, dass High-Electron-Mobility
Transistoren nicht nur mit herkömmlichen Halbleitermaterialien, wie
zum Beispiel Galliumarsenid, funktionieren, sondern auch mit Oxiden.
Die Oxid-HEMTs bieten hierbei ganz neue Perspektiven zur
Miniaturisierung, da mehr Elektronen in der Grenzschicht zwischen den
Lagen vorhanden sind und das Schalten in den leitfähigen Zustand durch
einen so genannten Quantenphasenübergang noch verstärkt wird.
"Mit unseren Versuchen wollen wir neue Perspektiven in der
Oxidelektronik eröffnen", sagt Professor Jochen Mannhart, Inhaber des
Lehrstuhls für Experimentalphysik VI der Universität Augsburg. "Zudem
wird es wohl dadurch vielleicht möglich, Transistoren in der
Mikroelektronik noch kleiner und effizienter als bisher zu bauen."
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