Eine Tunneldiode ist ein wandelbarer Halbleiterschalter mit extrem kurzen Reaktionszeiten, erklärt Alan Seabaugh von Raytheon Systems Company. Sie dienen dazu, den elektrischen Strom vor- und zurückfließen zu lassen oder zur Speicherung von Informationen. Dieser Effekt ist möglich, weil Elektronen in Tunneldioden nicht den Regeln der klassischen Physik unterliegen und sich in festen Bahnen bewegen. Stattdessen durchtunneln sie verbotene Zonen. Im Durchlaßbereich zeigen die Tunneldioden bei steigender Durchlaßspannung nach einem anfänglich steilen Stromanstieg ein Maximum, den Höckerstrom, und danach einen Bereich negativen differentiellen Widerstandes. Nach Erreichen eines minimalen Stromes, des Talstromes, steigt der Durchlaßstrom wieder an. Das Verhältnis zwischen Höcker- und Talstrom liefert als "Höcker zu Tal"-Maß (peak-to-valley-ratio, PVR) eine Kenngröße für die Effizienz des Tunnelprozesses. Das Phänomen ist eine Konsequenz aus dem eigenartigen, quantenmechanischen Verhalten von tunnelnden Elektronen.

Bestehende Tunneldioden, die einzeln aus Metallegierungen hergestellt werden, fristen ein Nischendasein – amerikanische Firmen verkaufen pro Jahr etwa 10 000 Stück davon, erläutert Paul Berger von der University of Delaware. Bis jetzt war eine Massenproduktion von auf Silicium basierenden Tunneldioden mit hohem PVR nicht möglich, fügt der Wissenschaftler hinzu.

Das Hauptproblem war die Menge an Dotiermitteln oder gezielten Verunreinigungen, die den Materialien für die Tunneldiode zugefügt werden mußten, um die Elektronen sicher einzuschließen, erläutert er. Tunneldioden mit dem traditionellen Legierungsprozeß herzustellen, ist Alchemie, meint Berger: "Man fügt ein Kleckschen von etwas auf ein Substrat und heizt es auf. Es schmilzt und breitet sich aus wie gegrillter Käse." Auf diese Weise ließen sich Tunneldioden nicht in großen Mengen herstellen, erklärt der Forscher.

Stattdessen züchteten Berger und seine Kollegen im Naval Research Laboratory bei relativ niedrigen Temperaturen von etwa 370 Grad Celsius mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hoch dotierte (delta-dotierte), monomolekulare Siliciumschichten. Dann härteten die Wissenschaftler das Material bei ungefähr 700 bis 800 Grad Celsius aus. Die so entstandene Diode ähnelte einem Sandwich: eine 4 Nanometer "dicke" Lage aus reinem Silicium-Germanium in der Mitte, auf beiden Seiten umschlossen von delta-dotierte Scheiben aus Bor und Antimon. Die Bor- und Antimon-Lagen sind wiederum umhüllt von entgegengesetzt geladenem Silicium. Alles zusammen befindet sich auf einem "Teller" aus einem Siliciumsubstrat, das eine positive Ladung trägt (Applied Physics Letters vom 12. Oktober 1998). Die Wissenschaftler konnten diese Dioden über ein Mikroplättchen in Masse produzieren, erläutert Berger. Das Team hält diese Methode für die erste lebensfähige Technologie, die konventionelle Halbleiter und Tunneldioden auf Siliciumbasis vereinigt.

Um für Schaltsysteme zu gebrauchen zu sein, sollten diese Resonanz-Zwischenband-Tunneldioden bei Raumtemperatur ein PVR von ungefähr vier aufweisen. Seabaughs Ansicht nach hat das Team bereits über die Hälfte des Wegs zu diesem Ziel hinter sich : Der PVR liegt bei zwei, der Spitzendurchfluß bei 20 Kiloampere pro Quadratzentimeter.