DE102008015118A1 - Raumtemperatur-Quantendraht-(array)-Feldeffekt-(Leistungs-) Transistor "QFET", insbesondere magnetisch "MQFET", aber auch elektrisch oder optisch gesteuert - Google Patents

Raumtemperatur-Quantendraht-(array)-Feldeffekt-(Leistungs-) Transistor "QFET", insbesondere magnetisch "MQFET", aber auch elektrisch oder optisch gesteuert Download PDF

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Abstract

Ein, mehrere oder sehr viele parallele Quantendrähte (z.B. insbesondere 1-dimensional quantenleitfähige Schwerionen-Teilchenspuren - "echte" Quantendrähte bei Raumtemperatur - siehe EP 1 096 569 A1 [1] und [2], oder auch eventuell SWCNTs (single walled carbon nanotubes)), vertikal ausgerichtet oder auch leicht geneigt - bis ca. 30 Grad - in einer 2-dimensionalen Ebene angeordnet, welche als 2-dimensionales Array den Source- und Drain-Kontakt des erfindungsgemäßen Transistors verbinden, werden bzgl. ihrer quantenmechanischen Leitfähigkeit über die Stärke eines angelegten räumlich variablen Magnetfeldgradienten oder homogenen Magnetfeldes moduliert bzw. geschaltet [3]. Die Schaltzeit des Trans Magnetfeldes (Zeitkonstante des magnetischen Gates) bestimmt, der Ohmsche Widerstand der Source-Drain-Verbindung ist ja im leitenden Zustand des Quantendrahtes Null. Das steuernde "Gate"-Magnetfeld mit einer Komponente senkrecht zu den Quantendrähten kann durch einen kleinen Steuerstrom durch eine Induktivität (Ausführungbeispiel 1, Fig. 3a) erzeugt werden oder auch durch geeignete (lokal variable) Ausrichtung der Magnetisierung in einer ferromagnetischen Schicht (z.B. Fe, Co, Ni) - Ausführungsbeispiel 2, Fig. 3b -, oder auch z.B. in einer Schicht bestehend aus metallischen (ferromagnetischen) Nanopartikeln (z.B. Fe, Co, Ni) oder auch "stromlos" durch eine geladene Spitze (Ausführungsbeispiel 3a analog wie in Fig. 3a) oder durch ...

Description

  • Zusammenfassung:
  • Ein, mehrere oder sehr viele parallele Quantendrähte (z. B. insbesondere 1-dimensional quantenleitfähige Schwerionen-Teilchenspuren – „echte” Quantendrähte bei Raumtemperatur – siehe EP1096569A1 [1] und [2], oder auch eventuell SWCNTs (single walled carbon nanotubes)), vertikal ausgerichtet oder auch leicht geneigt – bis ca 30 Grad – in einer 2-dimensionalen Ebene angeordnet, welche als 2-dimensionales Array den Source und Drain Kontakt des erfindungsgemäßen Transistors verbinden, werden bzgl. ihrer quantenmechanischen Leitfähigkeit über die Stärke eines angelegten räumlich variablen Magnetfeldgradienten oder homogenen Magnetfeldes moduliert bzw. geschaltet [3]. Die Schaltzeit des Transistors wird praktisch nur durch die Steuerzeit des Magnetfeldes (Zeitkonstante des magnetischen Gates) bestimmt, der Ohmsche Widerstand der Source-Drain Verbindung ist ja im leitenden Zustand des Quantendrahtes Null. Das steuernde „Gate”-Magnetfeld mit einer Komponente senkrecht zu den Quantendrähten kann durch einen kleinen Steuerstrom durch eine Induktivität (Ausführungsbeispiel 1, 3a) erzeugt werden oder auch durch geeignete (lokal variable) Ausrichtung der Magnetisierung in einer ferromagnetischen Schicht (z. B. Fe, Co, Ni) – Ausführungsbeispiel 2, 3b –, oder auch z. B. in einer Schicht bestehend aus metallischen (ferromagnetischen) Nanopartikeln (z. B. Fe, Co, Ni) oder auch „stromlos” durch eine geladene Spitze (Ausführungsbeispiel 3a analog wie in 3a) oder durch die geeignete Polarisierung einer ferroelektrischen Schicht oder Flüssigkristallen/Nanopartikeln in einem elektrischen Feld – Ausführungsbeispiel 3b, wie 3b. Der Quantendraht-Transistor kann auch optisch geschaltet/gesteuert werden.
  • Anwendung im Falle sehr großer Arrays (> 1010 parallele QDs) wäre ein Leistungstransistor, im Falle sehr kleiner Arrays (einzelne oder wenige parallele QDs) wäre es nicht-flüchtige Informationsspeicherung, wobei aufgrund der Eigenschaften 1-dim-quantisierter Leitfähigkeit eine Multilevel-Logik eingesetzt werden kann. Im Falle der optischen Schaltung/Steuerung des Quantendrahttransistors ist ein höchstauflösendes 2-dimensionales Array von Photodetektoren denkbar, wobei die QDs dann einzeln kontaktiert werden müssen, was vermutlich dann die Limitierung der Pixeldichte festlegt.
  • Die 1-dimensional quantisierte elektrische Leitfähigkeit der Quantendrähte hier, ist hier tatsächlich dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Drain-Stromspannungs-Kennlinie (Isd gegen Usd aufgetragen) bei Raumtemperatur erstens (siehe 2a) eine Treppenkennlinie ist (mit Stufen/annähernd Plateaus auf der 0.2–0.5 V Skala auf der Usd-Achse) mit bei höheren Spannungen auftretendem negativen differentiellen Widerstand (ausgelöst durch Esaki-Tunneln „heisser Elektronen”), und dass zweitens (siehe 2c) insbesondere in einem Usd-Bereich in der Nähe von 0 V, also insbesondere im ersten Coulomb-Supressions-Niveau extrem scharfe Strom-(Isd)-Peaks auftreten, ausgelöst durch (Quanten-)Peaks in der 1dimensionalen Conductance bei Source-Drain Spannungen Usd im Abstand von etwa 2 mV auftreten. Es wurden nadelartige Strom-Peaks (Isd) von bis zu 1 nA Höhe beobachtet Usd deutlich unterhalb von 50–200 mV.
  • Es wird hier insbesondere betont, dass hier Kennlinien Isd versus Usd gemessen und dargestellt wurden, und nicht – wie sonst üblich – Isd gegen eine Gatespannung bzw. eine Gate-Feldstärke (z. B. B) aufgetragen wurde. Im Falle Isd versus Gatefeld ergibt sich eine Treppenkennlinie durch Ladungsquantisierung (Coulomb-Blockade) alleine, im Falle Isd versus Usd ergibt sich eine Treppenkennlinie, insbesondere aber die quantisierten Conductance Peaks erst wenn tatsächlich 1dimensionale ballistische Leitfähigkeit – also ein Tunneln der Leitungselektronen durch die 1dimensionalen Quantenzustände wie in einem Wellenleiter – vorliegt, die laterale Ausdehnung des Quantendrahtes in der Größenordnung der Fermiwellenlänge (O(wenige Angström bis 1 nm)) der Elektronen liegt, nicht nur in der der mittleren freien Weglänge oder Phasen-Kohärenzlänge (bzgl. der diffusiven Streuung der Elektronen an Atomen, anderen Elektronen, an Phononen), die viel größer sind. Die Theorie hierzu wird behandelt z. B. in [4].
  • Insbesondere falls Source- und Drain-Elektrode – die mikrostrukturiert sein kann – auch ballistische Leitfähigkeit aufweisen (siehe z. B. [5], für den Fall von W und Mo bei sehr tiefen Temperaturen), hier z. B. bestehend aus kristallinem Kupfer oder Gold eventuell schon bei moderat tiefen Temperaturen oder Supraleiter bei tiefen Temperaturen oder gar ein 2-dimensionales Elektronengas – 2DEG – bei Raumtemperatur wären und der 2-dimensionale Nanodraht-Array aus sehr gut identischen Quantendrähten (Geometrie, Material) besteht, würden – Ausführungsbeispiel 5, 5 – phasenabhängige (Wellenfunktion der ballistischen Elektronen) Effekte der ballistischen Leitfähigkeit in den Quantendrähten die Empfindlichkeit der Transistorfunktion (gain) erheblich verstärken, da z. B. ein angelegtes (inhomogenes) B-Feld(-Komponente) senkrecht zu den Quantendrähten sofort unterschiedliche Phasenverschiebungen der Wellenfunktion (freies Elektron im 1-dim Elektronengas, bzw. Elektron das durch einen 1-dimensionalen Quantenzustand transmittiert wird, hinein- und heraustunnelt) in den vielen Quantendrähten hervorruft und sich der Summenstrom durch alle Drähtchen stark reduzieren würde – ganz analog zu einem quanteninterferenz device, z. B. einem SQUID. Dieser Effekt würde auch schon auftreten, wenn auch schwacher, wenn die Elektroden keine idealen Metalle sind oder gar 2DEGs/Supraleiter sind, also bei Raumtemperatur. Ein 2DEG als Source- und Drain Elektrode würde natürlich auch bei Raumtemperatur funktionieren und wäre der Idealfall.
  • Der Strom durch Quantendrähte kann auch optisch moduliert werden (Ausführungsbeispiel 4, 4a) durch in etwa infrarotes Licht, da dann Anregungen zwischen den Quantenzuständen der Quantendrähte stattfinden (z. B. [6]). Experimentell zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung sogar Strom wie in einer Solarzelle erzeugt werden kann (4b, Stromfluss von einigen 0.1 nA bei Spannung 0 V unter Lichteinwirkung durch einen einzelnen Quantendraht, wobei der genaue Leistungs-Beitrag des Quantendrahts noch nicht ermittelt werden konnte aufgrund der 2 anderen ebenfalls und sogar flächig beleuchteten Heteroübergänge der Messanordnung, die aber alleine weder ein ausgeprägtes Plateau noch einen Strom Isd bei Usd = 0in der Isd-Usd-Kennlinie – wie das in 2d sichtbar – liefern und ohne den Quantendraht einen Faktor 1000 höheren Strom bei gleicher Spannungswobbelung liefern – also eine um Faktor 1000 steilere Kennlinie ohne Plateaus. Bei einer Gegenspannung von etwa 0.2 V wird der Strom auf Null gedrückt, damit ergibt sich eine (Gesamt-)Leistung der (einzelnen) Quantendrahtphotozelle von 0.02 nW.
  • Werden die Quantendrähte im Array einzeln kontaktiert, können also einzeln „ausgelesen” werden, kann aufgrund der Photosensitivität der QDs ein höchstauflösendes Photodetektor-Array realisiert werden (mehr als 1 Pixel pro (100 nm)2. Diese Kontaktierung könnte durch eine Widerstandskaskade ähnlich wie in einem Schieberegister oder einem CCD-Array realisiert werden – moderne (mitunter aufwändige) Lithographieverfahren erlauben diese kleinen Strukturbreiten. Bei einer so hohen Pixeldichte (bis etwa 1012 pro cm2 wären erreichbar) kann man von einer künstlichen Retina sprechen.
  • Primäres, am einfachsten zu realisierendes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen mesoskopischen quanten-elektronischen Bauteils ist ein Leistungstransistor, in welchem der Strom durch jeden von ca 1010 parallelen Quantendrähte/cm2 durch ein Magnetfeld moduliert oder geschaltet wird, wobei die sich aus der Summe aller Quantendrahtströme ergebende Kennlinie eines solchen Magnetfeldeffekt-Leistungstransistors durch Einstellung der räumlichen Variation des Magnetfeldes über das 2dim QD-Array hinweg maßgeschneidert werden kann. Das kann realisiert werden z. B. durch einen vom spitzenförmigen Weicheisenkern einer Spule ausgehenden starken und variablen B-Feld-Gradienten (einstellbares inhomogenes B-Feld) oder durch einen ferromagnetischen Film – z. B. aufgebracht auf die Source-Elektrode, dessen Magnetisierung lateral variierend „beschrieben” werden kann, und diese Magnetisierung dann natürlich nicht flüchtig speichert, auch wenn die Elektro-(magnetische) Spitze entfernt wird. Bei einem Strom von ca 1 nA pro Quantendraht (bei ca 1 V angelegter Source-Drain-Spannung) ist also ein gesteuerter Strom von ca 10 A pro cm2 Bauteilfläche möglich. Der Source-Drain Strom kann auch optisch moduliert werden, ähnlich anwendbar wie ein Photo-Thyristor.
  • Werden die parallelen QDs in kleinen Gruppen (wenige parallele oder auch einzelne QDs) kontaktiert, kann durch die oben erwähnte „beschreibende” Magnetisierung ein Computer-Massenspeicher realisiert werden – siehe Patentanspruch 8.
  • Ein Herstellungsverfahren eines für einen solchen erfindungsgemäßen Leistungstransistor nötigen Arrays von sehr vielen parallelen vertikal in einer isolierenden Schicht (z. B. DLC, SiC, Polymere) eingebetteten Quantendrähten ist in EP1096569A1 [1] ausführlich beschrieben, wobei die erreichbare Maximaldichte vertikaler paralleler Quantendrähte, die gerade noch genügend voneinander elektrisch isoliert sind, ca 1011 Drähte/cm2 beträgt. Da die Teilchenspuren klare Quantisierungseffekte bei Raumtemperatur zeigen (Treppen-I-V-Kennlinie, Quanten-Conductance-Peaks entlang des Quantendrahtes), also Raumtemperatur-Quantendrähte sind, erzeugt die gerichtete Einwirkung einzelner hochenergetischer Ionen (d. h. extrem hohe Energiedichte) vermutlich einzelne SWCNTs durch extrem lokale Graphitisierung des DLC-Materials; denn solche Stufen-Kennlinien oder gar Quanten-Conductance-peaks in der Source-Drain Kennlinie entlang des Quantendrahtes (also nicht nur Stufen in der Conductance als Funktion einer Gatespannung !!) wie in 2a und insbesondere 2c (bei Raumtemperatur !) werden bei Raumtemperatur erst in quasi-1DEGs mit einer lateralen Ausdehnung kleiner als 1–2 nm sichtbar. Ähnliche anmutende Conductance-Peaks im Coulomb-Strom-Unterdrückungsniveau, allerdings als Funktion von Ugate (und nicht von Usd wie hier) werden in [7] bei extrem tiefen Temperaturen (100 mK) in Quanten-Dots (und nicht 1 dimenasionale Quantendrähte wie hier) beobachtet; Analogien der grundsätzlich zugrunde liegenden theoretischen Physik (Einzel-Elektron-Transmission durch Quantenzustände, hier 1dimensionale, in den Zitaten 0-dimensionale) mit den hier beobachteten Effekten ist mir noch unklar, auch die theoretische Untersuchung in [8] beschreibt Quantum dots, nicht wires und conductance Peaks als Funktion der Gatespannung. Im Falle von CNTs kann man Usd und Usource-gare nie ganz unabhängig voneinander betrachten. Als Substrat für den DLC-Film in dem die Quantendrähte durch Beschuss mit (vielen) einzelnen hochenergetischen schweren Ionen erzeugt werden, kann über EP1096569A1 [1] hinaus neben (hochdotierten) leitfähigen Halbleitereinkristall-Wafern auch anderes auf der nm-Skala (im Falle von Si-wafern nahezu atomar) flaches, elektrisch sehr gut leitfähiges Material dienen, wie z. B. kristalline Metallfilme (z. B. Gold, Pt, Pa, Cu), z. B. auf Glimmer aufgebracht. Ideal wäre ein hochdotierter Halbleiter, der mit der isolierenden DLC-Schicht am Heteroübergang instantan ein 2DEG bei Raumtemperatur bildet. Dasselbe gilt natürlich für die Deckschicht-Elektrode, die jedoch dünn sein muss, damit die Gatefeldeffekte bis zu den Quantendrähten herunterreichen, bzw. für die optische Strommodulation transparent sein muss.
  • In EP1096569A1 [1] bewegten sich die in einem isolierendem Film eingebetteten Quantendrahtlängen im Bereich von ca 100 nm – hier festgelegt durch die Schichtdicke der isolierenden, die Drähte einbettenden Matrix. Die Reichweite der schnellen Schwerionen im Schichtmaterial ist viel höher (ca 1–5 nm/(keV/nucleon)). Maximal mit realistischem Aufwand erreichbar in der dort verwendeten isolierenden Filmmatrix (z. B. elektrisch isolierendes DLC, eventuell auch kristallines SiC) wären etwa 30 im Ionenspurlänge bei ca. 11 MeV/nucleon Teilchenenergie. Bei einer Spannungsfestigkeit von ca. 150 V/μm in diamantartigem Kohlenstoff ( EP0408966 ) [9] ergäbe sich eine maximale Obergrenze der Durchschlagsfestigkeit des erfindungsgemäßen Leistungstransistors von 5 kV, natürlich limitiert allerdings dann durch die Spannungsfestigkeit der Quantendrähte selbst, wegen theoretisch R ≌ 0 also durch deren Stromfestigkeit, wobei bisher bis ca 10 nA pro Quantendraht (bei wenigen Volt) gerade noch die typischen bekannten Quantisierungeffekte (Treppen-IV-Kennlinie) sichtbar waren ( EP1096569A1 ) [1]. Das würde bedeuten also ca 1 kA bei etwa einigen Volt, also ca 1 kWatt maximale gesteuerte Leistung pro cm2 Bauteilfläche bei 1011 QDs/cm2.
  • Ein weiteres äußerst interessantes Herstellungsverfahren für ein so großes 2-dimensionales Array von vertikalen Drähten mit Durchmessern im Nanometerbereich (typisch 20–50 nm) und einer Dichte von auch etwa 1 Draht pro (100 nm)2 ist in US6566704B2 [10] vorgestellt, wobei dort die aufgewachsenen Nanodrähte aber deutlich größer im Durchmesser sind als bei EP1096569A1 [1], es werden aber auch 1–2 nm als prinzipielle Möglichkeit erwähnt. Die Nanodrähte in 7 in US6566704B2 [10] weisen zwar – allerdings nur bei extrem tiefen Temperaturen (4.2 K) – bereits eine stark nichtlineare I-V-Kennlinie mit breitem Plateau auf, was zwar auf Einfluss von Coulomb-Blockade Effekten schließen lässt, aber noch lange keinen Quantendraht mit 1-dimensionaler ballistischer Leitfälhigkeit und Treppenkennlinie/Conductance-Peaks darstellt. Single walled carbon nanotubes (SWCNT) sind zwar als „echte” Quantendrähte allgemein akzeptiert, aber die sind viel dünner, wenige nm im Durchmesser (ca 1 nm), hier in US6566704B2 [10] liegen sicherlich für die Messung noch die viel breiteren MWCNTs vor, es wird ja auch „nur” ein „Vertical Nano size transistor using carbon nanotubes and manufacturing method thereof” beansprucht und kein Quantendraht-Array-FET bei Raumtemperatur, wie hier beansprucht.
  • Ein weiteres äußerst interessantes Herstellungsverfahren eines Arrays von extrem dünnen (0.4 nm) metallisch-kristallinen Nanodrähten wird in [11] beschrieben. Die elektrische Charakterisierung einzelner dieser Drähte steht meines Wissens noch aus, die elektrische Kontaktierung ist sicher sehr schwierig.
  • Der erfindungsgemäße Transistor würde bereits bei Zimmertemperatur funktionieren. Durch die magnetfeldabhängigen Phaseneffekte der elektronischen Wellenfunktion würde er signifikant empfindlicher funktionieren wenn als Source- und Drain-Elektroden 2DEGs realisiert werden können, auch dies bei Raumtemperatur. Dann stellt die Gesamtheit bestehend aus dem 2dim Array von parallelen (aufrecht stehenden) Quantendrähten und idealen Metallelektroden ein Quanteninterferenz-Device dar, das man im weiteren Sinne als ein Modellsystem zum Verständnis eines 1-dimensionalen Pseudo-Supraleiters bei nahezu Raumtemperatur betrachten kann, (1-dimensionale idealer elektrischer Leiter, resultierende Phase der superpositionierten Wellenfunktionen, Magnetfeld senkrecht zu den QDs könnte beim Einschalten aus dem Quantendraht-Array verdrängt werden – wegen der Phasenverschiebungen der Einzel-Wellenfunktionen gegeneinander in den einzelnen zu Schleifen (quids) „kurzgeschlossenen” QDs (siehe EP1096569A1 [1]) – für die der Aharonov-Bohm Effekt sorgt, auch wenn in den Drähten selbst kein B-Feld wäre.), wobei etwaige Verdrängung von Magnetfeldern im Inneren der Drähte noch zu klären wäre [14].
  • Eine 1 cm2 große Solarzelle in dieser erfindungsgemäßen Anordnung, bei der durch Lichteinwirkung (633 nm) von etwa 0.5 mW fokussiert auf etwa einen 30 μm Fleck (wovon nur ganz grob geschätzt < 1% die Quantendrahtarray-Oberfläche tatsächlich erreicht, da verdeckt durch die Messspitze) in einem einzelnen Quantendraht ein Strom von Ordnung 0.1 nA erzeugt wird, der bei einer Gegenspannung von ca 0.2 V auf Null gedrückt wird, würde bei 1010 parallelen Quantendrähten pro cm2 und bei äquivalent etwa 1 cm2 × (30 μm)–2× 0.5 mW × 0.01 = 0.5W Lichtleistung einen Strom von 1A liefern bei einer Gleichstrom-Leistung von 0.2 Watt, das wäre also ganz grob ein Wirkungsgrad von 40%. Hierbei ist, wie oben bereits erwähnt, unklar, wie groß der Einfluss anderer etwaiger lichtempfindlicher Übergänge im Messaufbau ist: Hochdotiertes Si-Substrat – graphitische QDs – halbleitende Abtastspitze (hoch B-dotierter Diamant).
  • Das 2dim Array paralleler Quantendrähte könnte auf der Licht-zugewandten Seite mittels leitfähigem ITO-Glas zusammengeschaltet sein, oder auch zur Effizienzerhöhung durch kristalline und sehr dünne und daher annähernd transparente Metallfilme zusammengeschaltet sein, auf der Unterseite wie in EP 1096569A1 [1] mittels einem hochdotierten leitfähigen Halbleitereinkristall-Wafer oder einem anderen flachen gut leitfähigen Substrat, idealerweise einem 2DEG.
  • Problem:
  • In der Leistungselektronik stellen sich vor allem 2 Probleme: Verlustleistung durch Hitzeentwicklung und Steuerströme sowie relativ lange Schaltzeiten. Quantenelektronik kann diese Probleme lösen, da ballistische Elektronen-Leitfähigkeit (des Laststromes) in einem quantenelektronischen Transistor/Schalter ohne Ohmsche resistive Verluste abläuft (R = 0 theoretisch) sowie die unmittelbare, extrem empfindliche Steuerung/Schaltung des quantenelektronischen Elements durch ein Feld verlustfrei und praktisch instantan abläuft. Mittelbar muss das „Gate” eines Quantentransistors durch ein elektromagnetisches Feld (magnetisch, elektrisch, optisch) angesteuert werden und alleine die Erzeugung dieses kleinen Steuer-Feldes bestimmen Verlustleistung und Zeitkonstante des Transistors/Schalters. Zusätzlich gibt es bei solch einem quantenmechanischen Transistor/Schalter/Relais keinerlei mechanische Kontakte (wie bei mechanischen Relais) zwischen Gate und dem quantenmechanischen Source-Drain Element.
  • In der Speicher-Technik steht bisher üblicherweise nur eine 1-Bit-Logik der einzelnen Speicherzellen zur Verfügung (Strom an oder aus beim Auslesen von GMR-Festplatten bzw. Kondensator geladen oder nicht bei DRAMs oder Flash-RAMs); Quantenelektronik wie in den hier benützten Quantendrähten gewährleistet eine Multilevel-Logik in einer Speicherzelle (Strom an/aus in mehreren Stufen, scharf getrennt messbar im Idealfall) und damit eine viel höhere Speicherdichte.
  • Stand der Technik:
  • Leistungstransistoren/Schalter beruhen heutzutage auf bipolaren (pn-) Übergängen (Thyristoren) oder optimierten MOSFETs mit gewissen Verlustleistungen und Zeitkonstanten [12].
  • Auch wenn in MOSFETs bereits 2-dim Elektronengase (2DEGs) eine Rolle spielen, spricht man dabei im allgemeinen noch nicht von einem quantenelektronischen Transistor, hauptsächlich weil Einzelelektroneneffekte nicht auftreten, die „Körnigkeit” der Ladung keine Rolle spielt.
  • Quantenelektronische Transistoren (single electron transistor – SET) wurden bereits lange theoretisch vorhergesagt und experimentell demonstriert (z. B. [13], [14] und Referenzen darin), meist durch Ausnutzung der Colomb-Blockade (Ladungsquantisierung) alleine aufgrund der 0-dimensionalen Einengung des Elektrons (Ausdehnung des „Quantenpunktes” kleiner als die mittlere freie Weglänge/Streulänge des Elektrons im Material) in einem sehr kleinen metallischen oder halbleitenden Nanopartikel/Kompartment, zumeist bei extrem tiefen (wenige Kelvin) Temperaturen, (z. Teil aber auch bei Raumtemp. im Falle von Molekülen als Nanopartikel), ge-„gated” meist durch ein variables statisches elektrisches Feld. In jüngerer Zeit wurden auch Carbonnanotubes (CNTs – SWCNTs stellen Quantendrähte, wie allgemein – wohl nicht immer korrekterweise – akzeptiert, dar) und andere Moleküle, ge-„gated” durch ein elektrisches Feld als SETs bei Raumtemperatur demonstriert (z. B. [15], [16] und Referenzen darin, [17]), aber meines Wissens wurde dabei noch keine echte Transmission durch 1-dimensionale Quantenzustände (Treppen-IV-Kennlinie, Conductance peaks in der Source-Drain-IV-Kennlinie entlang des Nanodrahtes) bei Raumtemperatur beobachtet. In [14] werden tatsächlich Aharonov-Bohm Oszillationen innerhalb eines 1-dim metallischen Zylinders beschrieben, allerdings bei extrem tiefen Temperaturen (ca 1 Kelvin), welche nur in einem annähernd 1dimensionalen ballistischen Leiter sichtbar werden. Logische Schaltungen unter benutzung von CNT-Nanodrähten wurden auch schon beschrieben in [17a].
  • In Form von Arrays parallel-geschalteter Nanodrähte z. B. CNTs, angesteuert durch ein E-Feld (Gate-Elektrode), wurden auch schon Leistungstransistoren vorgeschlagen ( DE 10 2004 003 374 A1 [18]), aber bisher meines Wissens nur mit ca 300 CNTs realisiert, das ergäbe nur ca 3 μA (max. 10 nA pro Nanodraht bei angenommenen 100 nm Länge, etwa das Minimum um von annähernd 1dimensionaler Leitfähigkeit in einem Nanodraht einiger nm Durchmesser sprechen zu können) steuerbaren Laststrom. Quantisierungseffekte und deren Anwendung werden dort nicht beansprucht, das vertikale Wachstumsverfahren mit dem Ziel eines 2dimensionalen Arrays vertikaler Nanodrähte wie in DE 10 2004 003 374 A1 [18] ähnlich vorgeschlagen wie in US6566704B2 [10], liefert vermutlich keine SWCNTs, nur viel breitere MWCNTs die keine Quantisierungseffekte bei Raumtemperatur zeigen, höchsten eine moderate Coulomb-Blockade (Ladungsquantisierung alleine, oft durch kleine Kapazitäten in den Übergangskontakten hervorgerufen, keine wirklich 1-dim. Leitfähigkeitsquantisierung.
  • Bezüglich Datenspeicherung ist der allgemein bekannte Stand der Technik wie folgt: Im Falle von GMR-Festplatten wird mittels eines Schreib-Lesekopfes der Strom durch eine lokal magnetisierte (Schreiben der Bits) Schicht gemessen, und dadurch die Bits ausgelesen. Im Falle von DRAMs und Flash-RAMs wird der Ladungszustand eines Kondensators gemessen mittels einer Matrix-Schaltung ähnlich wie einem CCD-Array.
  • Lösung:
  • Quantenelektronik kann diese Probleme Verlustleistung/Hitzeentwicklung, Zeitkonstanten lösen und gleichzeitig eine Multilevel-Logik mit viel größerer Datenspeicherdichte gewährleisten. Dies ist möglich, da ballistische Elektronen-Leitfähigkeit, und insbesondere die Transmission einer Elektronenwelle entlang eines 1-dimensionalen Quantenzustandes, also letztendlich des Laststromes in einem quantenelektronischen Transistor/Schalter ohne Ohmsche resistive Verluste abläuft (R = 0 theoretisch) sowie die direkte, extrem empfindliche Steuerung/Schaltung des quantenelektronischen Elements Verlust-frei und praktisch instantan abläuft. Mittelbar muss das „Gate” eines Quantentransistors durch ein elektromagnetisches Feld (magnetisch, optisch, elektrisch) angesteuert werden und alleine die Erzeugung dieses kleinen Steuer-Feldes bestimmen Verlustleistung und Zeitkonstante des Transistors/Schalters. Zusätzlich gibt es bei solch einem quantenmechanischen Trasistor/Schalter keinerlei mechanischen Kontakte/Kontaktspannungen zwischen Gate und dem quantenmechanischen Source-Drain Element. Gewisse Übergangswiderstände treten natürlich an den (Tunnel-)Kontaktübergangen zwischen den einzelnen Quantendrähten und der Source- sowie Drain-Elektrode auf, die auch notwendig sind, damit der 1-dimensionale Quantenzustand überhaupt existieren kann; diese Übergangswiderstände zu den einzelnen müssen mindestens etwa einige 10 kOhm groß sein, abhängig von der (winzigen) Kapazität der einzelnen QDs und von der gewünschten Schärfe der Quanten-Conductance-Peaks in der Isd-Usd-Kennlinie (mindestens 25,8 kOhm sich ergebend aus Heisenbergs-Unschärfe Relation). Im erfindungsgemäßen Leistungstransistor sind ja alle diese Widerstände wie auch die „Widerstände” (also (Reflexion plus Absorption)/Transmission) der QDs selbst parallelgeschaltet, der Gesamtwiderstand ist also klein.
  • Der erfindungsgemäße Leistungstransistor hier schaltet ca 1010 vertikal in ca einer 1 cm2 großen Fläche parallel ausgerichtete Quantendrähte elektrisch parallel und steuert den ballistischen (Source-Drain) Strom durch diese Quantendrähte kollektiv oder einzeln variabel. Bei größenordnungmäßig einem Strom von einem nA durch einen QD, ergibt sich ein steuerbarer Strom von 10A bei einer Bauteilausdehnung von etwa 1 cm2, wobei das Herstellungsverfahren des Quantendrahtarrays ( EP1096569A1 [1]) im Schwerionenbeschleuniger (z. B. bei GSI Darmstadt oder Ganil/CIRIL, Caen, France) bisher maximal etwa 25 cm2 × 1011 cm–2 (entspricht etwa 2.5 kA maximaler steuerbarer Gesamtstromstärke) von einander elektrisch unabhängige Quantendrähte im 2 dim Array realisieren kann. Es wird betont, dass die Stromstärke nicht in allen Quantendrähten gleich sein muss sondern durch auch beabsichtigte Inhomogenitäten des Gate-Feldes über die Gesamtbauteilfläche hinweg variieren kann und eventuell auch soll. Durch räumliche Variation des Gate-Feldes können die Kennlinien des gesamten Leistungstransistors in gewissen Bereichen maßgeschneidert werden. Mittels Rastersondenmethoden oder z. B. damit strukturierten Gate-Feld-Quellen (ferromagnetische oder ferrorelektrische Schichten – siehe oben) wird es natürlich möglich sein auch einzelne oder mehrere parallele QDs im Array gezielt zu schalten, falls gewünscht, die durch strukturierte Elektroden auf der „Oberseite” dann auch einzeln angesprochen werden können (siehe auch EP1096569A1 [1]). Herstellung solch feiner Elektrodenstrukturen (10 nm-Skala) ist mittels Elektronenstrahllithographie oder Rastersonden-Lithographie möglich, und die neuesten Imprinting-Verfahren und optischen Belichtungsverfahren (XUV) dringen auch bereits in diesen Bereich vor.
  • Die Beschleuniger-Bauart-bedingte Flächenbegrenzung der 2dim Quantendrahtarray-Herstellung auf ca 25 cm2 ist im Prinzip durch ein Rasterscan-Verfahren (B. Fischer, GSI Darmstadt [19]) bei längeren Bestrahlungszeiten (Grössenordnung 30 min für 1011 Ioneneinschläge pro cm2 statt weniger Minuten für 1010/cm2 pro 25 cm2-Bauteil) weit zu übertreffen, falls überhaupt nötig. Die QD-Dichte von maximal etwa 1011/cm2 bedeutet einen mittleren Abstand von etwa 30 nm von QD zu QD. Bei einem Teilchenspur-Durchmesser von deutlich unter 5 nm (vermutlich ca < 1–2 nm) ( EP1096569A1 [1]) und einem QD-Durchmesser von < 1 nm (Conductance-Peaks bei Raumtemperatur, 2c) sind die QDs dann noch hinreichend elektronisch unabhängig, können aber wegen elektronischen Überlappungseffekten und anderen ungewollten Strahlenschäden bei der Herstellung (Stöße mit Sekundär-Ionen/Elektronen/X-rays) in der isolierenden Matrix sowie größeren lokalen Strahlenschäden an Oberflächen/Grenzflächen wohl nicht sehr viel enger platziert werden. Wird allerdings eine dünne Source-Elektrode bereits vor der Bestrahlung aufgebracht, werden die Strahlenschäden an der Grenzfläche zwischen DLC-Schicht und Source-Elektrode sicher geringer ausfallen als an einer DLC-Oberfläche und eine maximale Dichte des vertikalen QD-Arrays von 1012/cm ist vermutlich prinzipiell erreichbar – allerdings geht dann auch bei bisheriger Fluence des Ionenstrahls die Bestrahlungsdauer auf ca 5 Stunden hoch, aktuelle Maschinen haben aber sicher mittlerweile höhere Strahlströme als 1999.
  • Das in EP1096569A1 [1] beschriebene Herstellungsverfahren der QDs fest eingebettet in z. B. einem DLC Film beinhaltet auch noch die sehr gewünschte Eigenschaft des Diamants von extrem hoher Wärmeleitfähigkeit und Transparenz für Licht, sollte also in dem erfindungsgemäßen Leistungstransistor mal z. B. durch eine Fehlfunktion die Ohm-lose Leitfähigkeit eines oder vieler QDs zusammenbrechen, wäre durch die hervorragende Wärmeableitung in der isolierenden Matrix eine Zerstörung des Bauteils veraussichtlich verhindert, vermutlich waren dann nur wenige QDs zerstört, was bei 1010/cm2 kaum eine Rolle spielt.
  • Referenzen:
    • [1] EP1096965A1 , F. Ohnesorge et al
    • [2] „Record of the international Symposium an the electron and the electromagnetic field in Nanometer-scale structures" H. Nejo (Ed.), Springer 2000
    • [3] H. Akera, T. Ando, Phys. Rev. B, 11676 (1991)
    • [4] "Mesoscopic Physics and Electronics" T. Ando et al. (Eds.) Springer 1998
    • [5] G.M. Mikhailov et al. Nanotechnology 9, 1, (1998)
    • [6] zurückgehend z. B. auf H. Weman et al., Phys. Rev. B 48(11), 8047 (1993)
    • [7] A. Gossard et al, Phys. Rev. Lett. 80(20), 4522 (1998)
    • [8] R.A. Jalabert et al., Phys. Rev. Lett. 68(23), 3468 (1992)
    • [9] EP0408966
    • [10] US6566704B2 Wun-bong Choi et al.
    • [11] B.H. Hong et al., Science 294, 348 (2001)
    • [12] z. B. "Leistungselektronik", R. Felderhoff, Hanser ISBN 3446402616, 2006, oder z. B.: „Leistungshalbleiter-Handbuch. Mit Leistungs-MOSFETs", J.C. van de Ven, ISBN: 3922705464
    • [13] M.H. Devoret et al. Ultramicroscopy 42–44, 22 (1992)
    • [14] B. Kramer, Physikalische Blätter 50(6), 543 (1994)
    • [15] S.J. Tans, A.R.M. Verschueren, C. Dekker, Nature 393, 49 (1998)
    • [16] C. Joachim, J.K. Gimzewski, A. Aviram, Nature 408, 541 (2000)
    • [17] H.W.Ch. Postma et al., Science 293, 76 (2001)
    • [17a] A. Bachtold et al., Science 294, 1318 (2001)
    • [18] DE 10 2004 003 374 A1 F. Keupl et al.
    • [19] B. Fischer, Rasterscan-Verfahren, GSI Darmstadt
    • [20] US5835477 , G.Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger „Mass-storage applications of local probe arrays”
    • [21] DE10036897C1 J. Kretz et al.
    • [22] J. Appenzeller et al. PRL92(22), 226802 (2004).
    • [23] Die nicht weiter verfolgte (und nicht offengelegte) Patentanmeldung beim DPMA Az.: 100 19 040.5 vom 18.04.2000 (Frank Ohnesorge: Room temp. superconductor, application as power transistor) beinhaltet bereits die Kernaussage der Realisierung eines Leistungstransistors mittels eines Arrays vieler parallel-geschalteter Quantendrähte und das Urheberrecht wird infolgedessen zu diesem Datum beansprucht. Dasselbe gilt für Az 10019039.1 (Frank Ohnesorge: „Künstliche Retina”) vom 18.04.2000.
  • Zeichnungen:
  • 1: Messanordnung zum Nachweis der quantisierten Leitfähigkeit in den Nanodrähten (Teilchenspuren, verursacht durch einzelne schnelle schwere Ionen). Die Spitze eines kombinierten AFM/STM wird zeilenweise über die Oberfläche gescannt, und lokal der Strom durch die Quantendrhte an deren Terminal-Enden aufgezeichnet. Zur Messung der Isd-Usd-Kennlinien wird der Scan angehalten und die Drift bei Raumtemperatur erlaubt eine stabile Messung der Kennlinien über etwa 10 Sekunden, bevor die elektrisch leitende Abtastspitze neu justiert werden muss. Beansprucht wird hier der Schutzwiderstand Rprotecion zwischen Funktionsgenerator (Usd) und STM/AFM Abtastspitze.
  • 2:
    • a) Isd-Usd-Kennlinien („Stufen”) einzelner Quantendrähte bei Raumtemperatur: Das Ferminiveau der (halb-)leitenden Spitze „scannt” (Durchfahren von Usd !) die Quantenzustände des Quantendrahtes ab, die „kleinen Stufen” in EP1096569A1 in der Isd-Usd-Kennlinie, die großen Stufen sind vermutlich die „scannenden” Zustände eines winzigen Grains an der Abtast-Spitze oder der Hügel-artigen Ionenspur auf der DLC-Oberfläche als Quantenpunkt (O(0.5 nm)), die notwendig sind um die feinen nadelartigen Peaks in Isd in 2c zu sehen, wobei Usd gleichzeitig die Quantenpunktniveaus verschiebt, also die Gatespannung Usg für den Quantenpunkt darstellt.
    • b) Feld-modulierte Isd-Usd-Kennlinien einzelner Quantendrähte bei Raumtemperatur – die Einhüllende ist wieder die Treppenkennlinie und es ist angemerkt, dass die Strommodulation bis auf Null nA (Rauschlimit O(pA)) absinkt.
    • c) Isd-Usd-Kennlinien-Ausschnitt im Stromunterdrückungsplateau nahe Usd = 0 V bei Raumtemperatur. Exakt vertikale Quanten-Conductance-Peaks, hier manifestiert als nadelscharfe Strom-Spitzen im Drain-Strom Isd; sie treten auf mit einer Höhe von bis zu ca 1 nA bei Usd << 50mV. (Es ist angemerkt, dass die Tunnel-Kontaktwiderstände zwischen Substrat und Quantendraht sowie zwischen STM/AFM-Abtastspitze und Quantendraht noch unbekannt sind.) Diese Strom-Peaks manifestieren elektronisch messbar die Physik der wellenmechanischen Transmission weniger Elektronen durch die 1dimensionalen Quantenzustände des Quantendrahtes: Vermutlich der oberste gefüllte Quantenzustand eines Quantenpunktes (leitfähiges winziges Grain an der Abtastspitze-Spitze oder Ionenspur an der DLC-Oberfläche) „scannt” (Durchfahren von Usd) die Quantenzustände des Quantendrahtes (im 2 mV Abstand) ab.
    • d) Isd-Usd-Kennlinie ohne Quantendrähte, nur die leitfähige AFM-Abtastspitze in Kontakt
    mit leitfähiger (B-dotierter) Diamantschicht, auch bei Raumtemperatur.
  • 3: Magnetfeld-/E-Feld gesteuerter QuantenFET
  • 3a: Ausführungsbeispiel 1: Leistungs-Transistor – gezeichnet sind nur 3 Quantendrähte, es sind aber mindestens 1010/cm2 bis theoretisch maximal 1012/cm2.
  • 3b: Ausführungsbeispiel 2: Leistungs-Transistor mit „Memory” Ausführungsbeispiel 3a und 3b: analog wie in 3a und 3b: nicht-flüchtiges und (wieder-)beschreibbares Speicherzellenelement, bestehend aus nur einem einzelnen bis sehr wenigen parallel-geschalteten Quantendrähten
  • 4: Ausführungsbeispiel 4: Optisch modulierter Leistungstransistor, Photodetektor, Solarzelle
  • 4a: Schema
  • 4b: Isd-Usd-Kennlinien „hell” und „dunkel” bei Raumtemperatur
  • 5: Ausführungsbeispiel 5: El.-magn. Feld- steuerbarer Leistungstransistor, Photodetektor, Solarzelle mit drastisch optimierter Empfindlichkeit durch Einsatz idealer (R = 0) Leiterschichten als Source-Drain-Elektroden, z. B. kristalline Metalle oder Supraleiter bei tiefen Temperaturen, insbesondere aber 2DEGs bei Raumtemperatur am Heteroübergang zwischen DLC-Schicht und Source-Drain Elektroden.
  • Modellsystem für einen 1-dimensionalen (Pseudo-)Supraleiter bei Raumtemperatur
    • 1
    Quantendrähte erzeugt durch den Durchflug einzelner hochenergetischer Ionen ( EP 1096569A1 )
    2
    Isolierende, die Quantendrähte einbettende Matrixschicht, in welcher sie erzeugt werden, z. B. DLC (resistivity 1012Ohm/cm), SiC, Polymer ( EP1096569A1 ), etwa atomar flach.
    3
    Gut leitendes nahezu atomar flaches Substrat, z. B. hochdotierter Si wafer
    4a
    AFM-Abtastfeder mit elektrisch gut leitfähiger Abtastspitze (B-dotierter Diamant)
    4b
    Magnetische Spitze, skalierbarer Größe mit der gewünschten Bauteilgröße/Leistungsfähigkeit, die auch stark elektrostatisch aufgeladen werden kann.
    5
    Source-Elektrodenschicht, elektrisch gut leitfähiges Material, z. B. Metallfilm, am besten kristallin (z. B. Au, Pt, Pa, Cu) oder hochdotiertes Halbleitermaterial (z. B. Si, GaAs, hochdotierter – z. B. mit Bor – Diamant-artiger Kohlenstoff)
    5a
    Source-Elektrodenschicht, transparent für die Anwendung der optischen Transistoransteuerung/der Solarzelle, z. B. extrem dünne Metallfilme, am besten kristallin, z. B. ITO-Glass (amorph), oder hochdotierter leitfähiger DLC, transparent für IR.
    6
    Polarisierte/magnetisierte ferroelektrische/ferromagnetische Dipole („Elementarmagnete”), aufgebracht als dünner Film auf die Source-Elektrode.
    7
    (Vorzugsweise) Vorspannungs-lose 2DEGs, vorgeschlagen für den Heteroübergang zwischen DLC-Film und der Source-Elektrode (7a) sowie zwischen DLC-Schicht und der Drain Elektrode (7b), wofür ein geeignetes hochdotiertes Halbleitermaterial für Source- und Drain-Elektrode noch ermittelt werden muss.
    8
    Schutzwiderstand 100 kOhm–1 MOhm bzw. 1 MOhm–10 GOhm.
  • Abkürzungen:
    • AFM
      – atomic force microscope
      CNT
      – carbon nanotube
      DLC
      – diamond like carbon
      DRAM
      – dynamic random access memory
      FET
      – Feldeffekttransistor
      GMR
      – giant magneto resistance
      Isd
      – (Source-)Drain Strom
      MWCNT
      – multi-walled carbon nanotube
      QD
      – Quantendraht
      QUID
      – quantum interfence device
      SET
      – single electron transistor
      SiC
      – Silizium Karbid
      SL
      – Supraleiter
      SQUID
      – superconducting quantum interference device
      SWCNT
      – single-walled carbon nanotube
      Ugate
      Gate-Spannung gegen willkürliche Masse
      Usd
      – Source-Drain Spannung
      Usource-gate
      Spannung zwischen Source und Gate
      2DEG
      – 2 dimensionales Elektronen Gas
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1096569 A1 [0001, 0010, 0010, 0011, 0011, 0012, 0014, 0016, 0025, 0025, 0026, 0027, 0029, 0037, 0037]
    • - EP 0408966 [0011]
    • - US 6566704 B2 [0012, 0012, 0012, 0022]
    • - DE 102004003374 A1 [0022, 0022]

Claims (9)

  1. Oberanspruch: Leistungstransistor, -schalter, -photodetektor, -Solarzelle dadurch gekennzeichnet, dass es sich handelt um Ein Quantendrahtarray-Leistungstransistor QFET: 2-dimensionales Array sehr vieler dicht gepackter, vertikal oder bis zu 30 Grad – auch in Gruppen zueinander – geneigter, in einer isolierenden Schicht eingebetteter paralleler und – auch evtl. jeweils in Gruppen – parallel geschalteter Quantendrähte, welche Source und Drain Kontakt des QFETs verbinden und bei Raumtemperatur funktionieren, kollektiv oder einzeln gesteuert/geschaltet durch ein elektromagnetisches Feld (statisch bzw. dynamisch). Insbesondere wird hier auch beansprucht, dass die einzelnen Quantendrähte hierbei insbesondere auch bei Raumtemperatur eine Treppen-IV-Kennlinie entlang des Quantendrahtes (also Strom Isd entlang des QDs als Funktion der Source-Drain Spannung Usd (2a bei Raumtemperatur), nicht nur als Funktion einer Gate-Spannung Ug, (was die Coulomb-Blockade-Effekte alleine, also nur Ladungsquantisierung auch schon machen würden) aufweisen, und insbesondere auch Quanten-Conductance-Peaks (hier manifestiert in Form von extrem scharfen Peaks im Strom Isd) in dieser Isd–Usd Kennlinie (entlang des „echten” QDs) im Stromunterdrückungsplateau (in der Nähe von 0 V, wo der Strom Isd versus Usd wie üblich durch Coulomb-Blockade- aber hier zusätzlich durch Conductance-Quantisierungs-Effekte unterdrückt ist)) „entlang” des QDs (2c, bei Raumtemperatur !!); diese Source-Drain Kennlinien Isd versus Usd entlang eines solchen „echten” Quantendrahtes können, da sie auf Transmission durch 1-dimensionale quantenmechanische Zustände beruhen, durch angelegte äussere „gatende” Felder (magnetisch elektrisch, optisch) sehr empfindlich moduliert/gesteuert/geschaltet werden (2b elektrisch/magnetisch und 4b optisch, alle bei Raumtemperatur). [2, 3, 4] Bei sehr identisch hergestellten „echten” QDs im 2dim Array sollten diese Source-Drain Kennlinien Charakteristika qualtitativ auch für die Gesamtheit der elektrisch parallel geschalteten QDs vorliegen, insbesondere wenn Source und Drain Elektrode ebenfalls ideale elektrische Leiter sind (z. B. 2DEGs bei Raumtemperatur, SLs bei tiefen Temperaturen oder als Kompromiss dünne kristalline Metallfilme bei moderat abgesenkten Temperaturen: Unteransprüche
  2. Leistungstransistor nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass: der Source-Drain Strom durch ein Magnetfeld gesteuert/geschaltet wird mittels einer variablen Stromstärke in einer Spule die einen spitzen Weicheisenkern umgibt, räumlich dicht über dem Quantendrahtarray sowie durch deren Abstand zum Quantendrahtarray (3a) oder durch Stromstärke durch eine Meander-förmige Leiterbahn dicht auf oder unter dem 2dim Quantendrahtarray oder darin eingebettet.
  3. Leistungstransistor nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass: der Source-Drain Strom durch ein Magnetfeld gesteuert/geschaltet wird, mittels Aufbringen und geeignet Magnetisieren (z. B. durch Beschreiben mit obiger magnetischen Spitze montiert an einem Rastersondenmikroskop) einer ferromagnetischen Schicht auf dem 2-dim Quantendrahtarray, z. B. Fe, Co, Ni oder einer Schicht aus ausrichtbaren ferromagnetischen Nanopartikeln aus Fe, Co, Ni, also mit nicht-flüchtigem Memory-Effekt des Transistor-Arbeitspunktes und der Source-Drain-I-V-Kennlinie. (3b)
  4. Leistungstransistor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet ist, dass: der Source-Drain Strom gesteuert/geschaltet wird durch ein E-Feld mittels einer elektrisch geladene Rastersondenspitze oder mittels Aufbringen auf oder Einbetten in das 2dim Quantendrahtarray und geeignet Polarisieren (z. B. mittels elektrisch stark geladener Spitze montiert an einem Rastersondenmikroskop) einer ferroelektrischen oder auch antiferroelektrischen Schicht, oder durch Anlegen einer lateralen Spannung in dieser polarisierbaren Schicht, z. B. einer geeigneten Flüssigkristallschicht polarer Moleküle oder einer Schicht polarer Nanopartikel, also wie bei 3. mit nicht-flüchtigem Memoryeffekt des Transistor-Arbeitspunktes sowie der Source-Drain-IV-Kennlinie. (wie Figs. 3a und 3b)
  5. Leistungstransistor, -schalter nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass: der Source-Drain Strom und dessen Kennlinie moduliert/gesteuert/geschaltet wird durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung (z. B. IR-Licht, sichtbares Licht, UV, X-ray) auf das 2-dim Quantendrahtarray (Photodetektor) (4a). – gemäß lichtempfindlicher Kennlinie eines einzelnen Quantendrahtes (4b)
  6. Leistungs-Quantendrahtarray-Solarzelle im Aufbau und grundsätzlicher Funktion und Aufbau identisch mit Patentanspruch 1. und Patentanspruch 5, das dadurch gekennzeichnet ist, dass: unter Lichteinwirkung bei 0 Volt Source-Drain Spannung ein von Null verschiedener Source-Drain-Strom fließt, also Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. 6a. Künstliche Retina: Die QDs im Array werden einzeln kontaktiert, die „Licht-Wirkung” auf den einzelnen Drain-Strom in einzelnen QDs des großen, extrem dichten Arrays (bis etwa 1010–1012 QDs pro cm2) könnte ortsabhängig ausgelesen werden und damit Einsatz finden in höchstauflösenden elektronischen Kameras. Wie schon erwähnt, lassen sich prinzipiell mit modernen Lithographie-Verfahren die notwendigen kleinen Strukturbreiten erreichen, um z. B. eine Widerstandskaskade wie in einem Schieberegister oder einem CCD-Chip herzustellen.
  7. Leistungstransistor, -schalter nach Patentanspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass: Source und Drain Elektroden aus einer ideal leitenden Schicht bestehen (z. B. kristalline Metalle bei moderat tiefen Temperaturen, Supraleiter bei tiefen Temperaturen oder 2DEGs bei Raumtemperatur), wodurch durch Phasenverschiebungseffekte die Empfindlichkeit/Effizienz der Transistor-Ansteuerung (Gain)/ der Solarzelle drastisch erhöht wird. Dies stellt auch ein Modellsystem für einen 1-dimensionalen Pseudo-Supraleiter bei (zumindest nahezu) Raumtemperatur dar. (5)
  8. Transistor (Quantenspeicherzelle, QSZ) analog zu Patentanspruch 1., sowie 3. und 4., dadurch gekennzeichnet, dass: der Source-Drain-Strom nur durch ein oder wenige parallel-geschaltete „echte” Quantendrähte gesteuert wird und als nicht-flüchtige, (wieder-)beschreibbare Speicherinformation benutzt wird, analog wie in EP 1096569 A1 [1], nur statt dem B-Feld erzeugendem dortigen QUID zur dynamischen (also flüchtigen) Schaltung/Auslesung des Quantendrahttransistors, nun ein „Elementarmagnet” in einem ferromagnetischen Film oder ferromagnetisches Nanopartikel über einem Terminal des/der QDs, welches z. B. durch die magnetische Spitze eines Rastersondenmikroskops „gesetzt” (magnetisiert) werden könnte, oder auch durch den raster-scannenden Schreibkopf einer HDD – analog ist hier eine E-Feld Ansteuerung wie in Patentanspruch 4. genauso denkbar. Dies wäre ein Speicherverfahren für einen neuartigen Computer Massenspeicher, wobei der durch Ströme ausgelesene 2dim Quantendraht-Array rotieren könnte wie eine aktuelle auf dem GMR-Effekt basierende HDD oder auch stationär wäre und eine oder viele parallele Schreib/Lese-Abtastspitzen (elektrisch leitfähig und gleichzeitig dienend als Quelle für ein lokales Magnetfeld-/E-Feld) vorhanden waren. „Viele” Abtastspitzen, also ein Array von Abtastspitzen ist ein ähnlicher Fall wie in US5835477 [20], aber dort wird die Speicherinformation ausschließlich über die Balkenfeder/Abtastspitze ausgelesen (und natürlich auch geschrieben), während hier die Abtastspitze(-n) primär nur zum Schreiben und Löschen der den Quantendraht-Stromsteuernden ferromagnetischen/ferroelektrischen Bits (mit Multilevel-Logik) dienen soll, und der Quantendraht-(array) selbst durch eine stationäre „interne” Stromessung(-smatrix) ausgelesen wird – ähnlich wie in einem DRAM oder Flash-RAM (nur hier eine Strommessung anstelle dort einer Spannungsmessung) – wobei aber natürlich die Quantendraht-Stromstarken am einfachsten über die leitfähigen Abtastspitzen ausgelesen werden ganz analog zu einer gebräuchlichen GMR-Festplatte. Wie das Auslesen der Quantendrahtmatrix durch eine interne Strommessungsmatrix realisiert werden kann ist in EP1096965A1 [1] beschrieben, wobei noch die Verbindung mit einer Widerstandskaskadenmatrix ähnlich der in einem DRAM, FlashRAM, CCD-Array wahrscheinlich notwendig würde. Durch die Treppenkennlinie (Isd versus Vsd) und die Quanten-Conductance-peaks in Isd versus Vsd wird eine Multilevel-Logik realisierbar, mit vielen parallelen Quantendrähten wird eventuell sogar ein Multilevel-LeistungsQFET realisierbar, der sich durch extrem niedrigen Sperrstrom auszeichnet. (Rausch-Untergrund für die Strommessung einzelner Quantendrähte beträgt etwa O(pA). Nicht-flüchtigkeit ist bei der erfindungsgemäßen QSZ nicht ganz analog zu DRAM (flüchtig) und Flash-Memory (nicht flüchtig) zu betrachten, da bei abgeschaltetem Strom zwar auch die (Strom-)Information in den Quantendrähten vorübergehend verschwindet, der Arbeitspunkt auf der Kennlinie aber durch das ferromagnetische/ferroelektrische (lokal „geschriebene” Gate nicht-flüchtig gespeichert ist und sofort wieder vorhanden, wenn der Strom natürlich bei sehr exakt gleicher Source-Drain Spannung wieder eingeschaltet wird, wobei als stabile exakte Stromversorgung ein erfindungsgemäßer Multilevel-Leistungstransistor dienen könnte. Patentanspruch 8 unterscheidet sich und grenzt sich ab von den vielfach in der Literatur vorgeschlagenen Nanodraht-FETs, auch der (MW)CNT-FETs (ein durch einen einzelnen Nanodraht/Qunatendraht – z. B. ein CNT – realisierter FET) dadurch, dass erstens der erfindungsgemäße Einzelquantendraht-Transistor durch ein Magnetfeld angesteuert und nicht durch ein elektrisches Gatefeld, (der erfindungsgemäße Transistor kann aber natürlich genauso sehr gut durch ein elektrisches Gatefeld gesteuert werden), zweitens dass eine Multilevel Logik gemäß Treppen- und Quanten-Conductance-peak-Kennlinien (Isd versus Usd) in 2a, b und c bei Raumtemperatur realisierbar ist, und damit drittens dass hier wirklich bei Raumtemperatur ein 1dim ballistischer Strom (sogar Transmissionsstrom durch einen 1dim Quantenzustand) durch einen „echten” Quantendraht gesteuert wird und nicht nur ein weitgehender von Coulomb-Blockade Effekten (Einzel-Elektron-Effekte, also Ladungsquantisierung, nicht Conductance Quantisierung) überlagerter Ohmscher Strom mit, Confinement-bedingt etwas reduzierter Streuung an den Wänden eines zwar sehr kleinen, aber im Vergleich zur Fermiwellenlänge (grob ca wenige Angström in metallischen Leitern bei Raumtemperatur) des Elektrons lateral doch in den meisten Fällen jedenfalls bei Raumtemperatur noch riesig ausgedehnten Nanodrahtes. Ein alleine auf Ladungsquantisierung (also ohne Conductance-Quantisierung in der Isd versus Usd Kennlinie) basierender Nanodraht liefert zwar eine Treppenkurve Isd versus Ugate, aber wohl keine Treppenkennlinie Isd versus Usd (2a) und schon gar keine Quanten-Conductance Peaks (hier manifestiert als extrem scharfe Peaks im Strom Isd) im Coulomb-blockierten Stromunterdrückungsplateau um Null Volt herum der Isd versus Usd Kennlinie entlang des „echten” Quantendrahtes (2c). Diese „ungewöhnlichen” Effekte werden auch in [22] in ähnlicher Weise angesprochen, hier ist aber auch Isd versus Usource-gate aufgetragen, wobei im erfindungsgemäßen Aufbau auch Usqd in die isolierende Matrix „heinein-leckt” und dafür sorgt, dass die Quanten-Conductance Peaks in 2c langsam hin- und herdriften auf der Usd-Achse. In anderen Worten: Usd und Usource-gate „mischen” im Fall von CNTs. All diese Effekte werden in DE10036897C1 [21] z. B. nicht berührt, auch nicht bei den in der Literatur bekannten Nanodraht-(E-)Feldeffekttransistoren, (z. B. [15], [17]).
  9. Die Messanordnung in 1 zur Aufzeichnung der charakteristischen Kennlinien Isd–Usd einzelner Quantendrähte beinhaltet einen Schutzwiderstand (8) zwischen der kombinierten AFM/STM-Abtastspitze und dem Funktionsgenerator, also der Spannungsquelle für Usd. Der Widerstand beträgt etwa 100 kOhm–1 MOhm oder 1 MOhm–10 GOhm.
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