Je leest:

Schakelen op een chip met enkele elektronen

Schakelen op een chip met enkele elektronen

Auteur: | 1 september 2002

Eigenlijk is er nauwelijks verschil tussen de eerste transistor die Amerikaanse onderzoekers Bardeen, Shockley en Brattain van Bell Telephone Labs in 1947 presenteerden en de Eén Elektron Transistor (EET) van de Delftse natuurkundige Pieter Heij, die schakelt met één elektron en slechts met een elektronenmicroscoop kan worden waargenomen.

Heij heeft de afgelopen jaren in de groep Quantum Transport van professor dr. ir. Hans Mooij technieken ontwikkeld om een paar van dit soort EET’s tot grotere eenheden aaneen te smeden, zodat je er logische bewerkingen mee kunt uitvoeren. Uiterst nauwkeurig moesten daarvoor atoomlaagjes over elkaar heen worden gelegd, soms maar net dik genoeg om elektronen in staat te stellen er doorheen te tunnelen. Voorlopig werken ze alleen nog bij extreem lage temperaturen.

Coulomb-blokkade

Een EET kent zijn eigen problemen. Zodra immers het atomaire domein wordt betreden, verliezen de wetten van de klassieke natuurkunde hun betekenis. Elektronen gedragen zich niet meer zoals dat in een ‘klassieke’ elektrische stroom betaamt.

Aan de basis van elke EET ligt een verbinding van twee geleiders van elkaar gescheiden door een dun isolerend laagje, een zogeheten tunneljunctie. Normaal gesproken is dat voor elektronen een verboden gebied. De kwantummechanica laat echter zien dat het elektron toch een kans heeft om er dwars doorheen te schieten, dat is het tunnel-effect.

Onder bepaalde omstandigheden kan de toevoer van elektronen zelfs heel precies gedoseerd worden. Dat is het gevolg van de Coulomb-blokkade. Zodra een elektron is overgestoken, weerhoudt deze blokkade andere elektronen ervan het voorbeeld van de eerste te volgen. Het tunnelen van afzonderlijke elektronen is dan ook te vergelijken met het druppelen van een kraan. Omdat de elektronen het isolerende laagje niet meer kunnen passeren, neemt de lading aan het oppervlak van één van de twee geleiders toe. Als zich zo eenmaal voldoende lading heeft verzameld, kan er toch weer een elektron overschieten en zo wat spanning wegnemen. Net als een druppel aan een kraan uiteindelijk valt.

Om de volgende druppel te laten vallen, moet opnieuw de Coulomb-blokkade worden overwonnen en moet er dus weer spanning worden opgebouwd.

Abolute nulpunt

Een Eén Elektron Transistor (figuur 1) is niets anders dan een stukje geleidend materiaal dat aan twee zijden wordt begrensd door een tunneljunctie. Zodra er aan de ene kant een elektron binnenkomt, verdwijnt er een aan de andere kant. De Coulomb-blokkade kan echter worden onderdrukt door de lading op het centrale deel een heel klein beetje te variëren. Dat gebeurt door een condensator die er mee verbonden is op te laden. Met het wegvallen van de Coulomb-blokkade neemt de stroom opeens sterk toe. Toch werkt een EET eigenlijk niet veel anders dan een ‘gewone’ transistor (figuur 2.): met een minieme verandering in de spanning op de basis-elektrode kan een stroom worden geschakeld. Met deze schakelfunctie kan een spanning worden opgewekt die groter is dan de spanning op de basis-elektrode en zo maak je dus een versterker.

Al aan het einde van de jaren tachtig werden de eerste EET’s gemaakt. Die werkten bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt, hetgeen niet echt praktisch is voor toepassing in computerchips.

Deze 1-elekron transistor is enkele nanometers groot Bron: Sandia National Laboratories

Deze “gewone” transistor is ongeveer 1 cm lang Bron: Micro Electronics Ltd.

Lithografie

Om de benodigde patronen aan te brengen, werd gebruik gemaakt van lithografische technieken. Een dunne laag lichtgevoelig materiaal wordt daartoe via een mal belicht en vervolgens behandeld met een oplosmiddel, dat alleen het materiaal op de belichte plekken verwijdert. Dat proces lijkt sterk op het afdrukken van foto’s. Zo kunnen op een schaal van micrometers de meest ingewikkelde patronen worden geschreven. Om de noodzakelijke resolutie in nanometers te kunnen halen, gebruikte men hiervoor echter geen licht, maar een elektronenbundel. De golflengte van elektronen is immers veel kleiner dan die van licht, zodat er veel fijnere details mee kunnen worden aangebracht. De zo verkregen patronen werden voorzien van een dun laagje opgedampt aluminium.

Doorbraak

Het aanbrengen van de aluminiumlaag gebeurt op een plaatje hoog in een vacuüm pot. Onder in de pot verdampt men wat aluminium door het met een elektronenkanon te verhitten. Zo zorgt men ervoor dat de aluminiumatomen die boven aankomen, allemaal dezelfde richting hebben. Dat maakt het mogelijk om ze onder specifieke hoeken op de ondergrond te schieten.

Heij gebruikte daarbij een masker en door het plaatje onder verschillende hoeken op te hangen, werd een soort schaduwwerking verkregen. Zo kon hij precies bepalen hoe groot de overlap van de verschillende lagen werd. De overlap vormt de tunneljunctie.

Na het aanbrengen van de eerste laag laat men een klein beetje zuurstof toe in de vacuümkamer. Daardoor ontstaat er een oxidelaagje waarvan men de dikte heel precies – tot op een paar tiende nanometer – kan regelen. Dat is belangrijk, want dat oxidelaagje vormt de kern van de junctie. Daar tunnelen de elektronen doorheen.

Met dezelfde truc kon ook de koppeling tussen twee EET’s worden verwezenlijkt. In dat geval moest het laagje juist wat dikker zijn om tunnelen te voorkomen. De EET’s mogen onder geen beding direct contact maken, maar ze moeten elkaar wel voelen. Tevergeefs probeerde Heij dit voor elkaar te krijgen met dunne lagen siliciumoxide, maar dat ‘lekte’ te veel.

De grote doorbraak kwam toen hij bedacht dat men zuurstof kon gebruiken om een isolerende laag aan te brengen. Alleen moest die laag, om een goede isolatie te krijgen, wel dikker zijn dan in het geval van een tunneljunctie. Daarom creëert men aan het oppervlak van het aluminium een energierijk zuurstofplasma, een geïoniseerde zuurstofgaswolk, door er een stevige spanning over te zetten.

Geheugencel

Toen eenmaal de fabricagemethoden waren ontwikkeld, konden de metingen beginnen. Als eerste slaag Heij er in om op basis van gekoppelde EET’s een geheugencel te maken. Vervolgens richtte Heij zich op het maken van een inverter, een component die een positieve spanning omzet in een negatieve en omgekeerd. Het mooie van deze inverter is dat de uitgangsspanning hoger was dan de ingangsspanning. Zo’n versterking heb je nodig op een chip, omdat er anders na het doorlopen van een aantal componenten geen spanning meer over is.

Het tunneleffect

Het tunneleffect beschrijft de beweging van een elektron of een ander deeltje door een barrière, zelfs als het deeltje te weinig energie bezit om volgens de klassieke natuurkundige wetten de barrière te kunnen passeren. Voor het ‘deeltje’ kunnen we bijvoorbeeld een knikker nemen, die over een horizontaal oppervlak beweegt en dan tegen een heuvel oprolt. Volgens de klassieke natuurkunde zal de knikker over de heuvel heen rollen als hij voldoende kinetische energie bezit om tot op de top te klimmen.

Volgens de kwantummechanica is er echter ook nog een zekere kans dat de knikker aan de andere kant van de heuvel komt als zijn energie lager is. Men zegt dan dat het deeltje door de barrière getunneld is. Hoewel er natuurlijk geen échte tunnel bestaat. Voor macroscopische voorwerpen, zoals de knikker op de heuvel, is de kans om door het tunneleffect te passeren zeer gering. Zo gering dat we de kans gevoeglijk op nul stellen.

Voor elektronen die een dun plaatje isolatiemateriaal tegenkomen kan de tunnelkans echter behoorlijk groot zijn. Als het plaatje erg dik is, vinden we nooit elektronen die door het plaatje gaan. Is het plaatje heel dun, dan is er een kans voor elektronen om er doorheen te tunnelen. Voor een elektron is een isolatielaag, die twee geleiders scheidt, het equivalent van de heuvel voor de knikker. Als een potentiaalverschil over een ‘perfecte’ isolatielaag wordt aangesloten zal – volgens de klassieke natuurkunde – er geen stroom kunnen lopen tenzij de spanning zo hoog wordt dat de laag doorslaat. Volgens de kwantummechanica is er wel een stroomdoorgang mogelijk door het tunneleffect. De grootte ervan hangt onder meer af van de dikte van de isolatielaag. Voor een enigszins meetbare tunnelstroomsterkte moet de laag zeer dun zijn: in de orde van 10-6 meter.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 5 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes. Naar een artikel van Rob van den Berg dat verscheen in Delft Integraal 2001 (4).

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 september 2002

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.