Transistoren kommen in einem Großteil elektronischer Systeme zum Einsatz, vom Prozessor bis zum Smartphone. Oft bestehen sie aus mehreren Halbleitern, um einen elektrischen Strom zu steuern. Diese Art der Bauweise beschränkt die Leistung und Größe des jeweiligen Geräts, in das sie eingebaut werden.
„Im Grunde wäre es ideal, nur ein einziges Material zu haben, das alles kann. Und zwar wann immer man es braucht“, erklärt Prof. Julia Stähler von der Humboldt-Universität zu Berlin. Zwar lässt sich die Leitfähigkeit von Halbleitern durchaus mithilfe eines chemischen Prozesses, dem „Doping“, verändern. Doch diese Technik, bei der Atome des Halbleiters durch andere Atome ersetzt werden, hat ihre Grenzen: Denn die Eigenschaften eines Materials können vor dem Einbau angepasst werden, bleiben dann aber dauerhaft erhalten.
Am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft suchte eine Forschergruppe um Stähler nach einer Lösung für genau dieses Problem. Und fand sie: Licht.
„Eine völlig neue und überraschende Entdeckung“
In der Studie untersuchten die Wissenschaftler den häufig genutzten Halbleiter Zinkoxid. Dabei fanden sie heraus, dass sich die Halbleiteroberfläche mit Laserlicht, also durch einfaches Beleuchten, in ein Metall und wieder zurückverwandeln lässt.
Erreicht wird dieses „Licht-Doping“ durch optische Anregung: Das Licht verändert die elektronischen Eigenschaften so, dass sich Elektronen plötzlich frei bewegen und elektrischer Strom wie in einem Metall fließt. Wird das Licht wieder ausgeschaltet, wird auch das Material schnell wieder zum Halbleiter.
„Dieser Mechanismus ist eine völlig neue und überraschende Entdeckung“, sagt Lukas Gierster, Erstautor und Doktorand in Stählers Gruppe. „Drei Dinge haben uns besonders überrascht: erstens, dass sich chemisches und Licht-Doping so ähnlich sind, obwohl es sich um grundlegend unterschiedliche Mechanismen handelt; zweitens, dass mit sehr geringer Laserleistung gigantische Veränderungen erreicht werden können; und drittens, dass das An- und Ausschalten des Metalls so schnell passiert.“
So dauert die Umwandlung zum Metall nur 20 Femtosekunden, also 20 Millionstel einer Milliardstelsekunde. Besonders erstaunlich war laut den Forschern aber die Geschwindigkeit der Zurückverwandlung in einen Halbleiter, da sie um Größenordnungen schneller ablief als in früheren Arbeiten. Zinkoxid wird damit zu einer Art „ultraschnellem Schalter“.
Hohe Geschwindigkeiten und neue Designs
Durch höhere Schaltgeschwindigkeiten und vereinfachtes Design könnte die Entdeckung aus Berlin für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik und durch ultraschnelle optisch gesteuerte Transistoren von Nutzen sein. „Unsere Geräte könnten schneller werden – und damit schlauer“, sagt Stähler. „Das leichte und ultraschnelle Schalten von Leitungseigenschaften ermöglicht nämlich hohe Geschwindigkeiten und neuartiges Design.“
Stähler und ihre Gruppe sind überzeugt, dass das auch mit anderen Halbleitern funktioniert. Ihre Entdeckung würde damit weit über Zinkoxid hinaus reichen.
