Magneto-Elektrischer Transistor Magnetische Spins für energieeffizientere, kleinere Transistoren

Von Sebastian Gerstl

Effizientere Transistoren können helfen, dem gestiegenen Energiebedarf der digitalen Zeit zu begegnen und den Platzbedarf von Elektronik-Geräten zu verringern. Forschende der US-Universitäten in Nebraska und Buffalo haben nun einen neuartigen Transistoren-Typus entwickelt, der bis zu 5 Prozent weniger Stromverbrauch verspricht.

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Eine nanoskalige Darstellung von zwei Materialien, Graphen (grau) und Chromoxid (blau), die die Basis für die neuartige Transistor-Variante bilden. Die roten und grünen Pfeile stehen für den Spin, eine mit dem Magnetismus verbundene Eigenschaft der Elektronen, die als 1 oder 0 gelesen werden kann.
Eine nanoskalige Darstellung von zwei Materialien, Graphen (grau) und Chromoxid (blau), die die Basis für die neuartige Transistor-Variante bilden. Die roten und grünen Pfeile stehen für den Spin, eine mit dem Magnetismus verbundene Eigenschaft der Elektronen, die als 1 oder 0 gelesen werden kann.
(Bild: University at Buffalo / Advanced Materials)

Forschende der Universitäten Nebraska und Buffalo, unter Leitung der Physiker Christian Binek, Peter Dowben und Johnathan Bird, haben einen neuartigen Typus von Transistoren vorgestellt: Der Elektro-Magnetische Transistor verspricht eine erhebliche Einsparung von Energiebedarf in Mikroelektronik. Darüber hinaus könnte das Design des Teams die Anzahl der Transistoren, die zur Speicherung bestimmter Daten benötigt werden, um bis zu 75 % reduzieren, was zu kleineren Geräten führen würde. Außerdem könnten diese Mikroelektronikgeräte mit einem Speicher ausgestattet werden, der sich genau an die Stelle erinnert, an der der Benutzer aufgehört hat, selbst wenn das Gerät ausgeschaltet wurde oder abrupt den Strom verliert.

Moderne Integrierte Schaltkreise vereinen bereits seit Jahren mehrere Millionen Transistoren in einem Bauteil. Jährlich werden dabei seit 2020 etwa 1 Million Mikrochips weltweit produziert. Durch die Regulierung des Stromflusses innerhalb eines Mikrochips fungiert der winzige Transistor quasi als nanoskopischer Ein-Aus-Schalter, der für das Schreiben, Lesen und Speichern von Daten in Form von 1en und 0en in der Digitaltechnik unerlässlich ist.

Physikalische Grenzen für Silizium-basierte Halbleiter überwinden

Doch Mikrochips auf Siliziumbasis, das immer noch das am häufigsten eingesetzte Grundmaterial für die Bauteile ist, stoßen immer mehr an ihre physikalischen Grenzen. Diese Grenzen veranlassen die Halbleiterindustrie, jede vielversprechende Alternative zu erforschen und zu finanzieren. Neben anderen Trägersubstanzen wie etwa Galliumarsenid kommen dabei auch immer Forschungen zu neuen Verarbeitungsmethoden von Transistoren oder neuartigen Transistorenvarianten in Betracht.

„Der herkömmliche integrierte Schaltkreis steht vor einigen ernsthaften Problemen“, sagte Dowben, Charles Bessey Professor für Physik und Astronomie in Nebraska und Co-Autor der Studie zu dem neuartigen Transistor, den das Team in der jüngsten Ausgabe des Fachblatts Advanced Materials vorgestellt hat. „Es gibt eine Grenze dafür, wie viel kleiner sie werden können. Wir sind im Grunde genommen in einem Bereich angelangt, in dem es um 25 oder weniger Siliziumatome geht. Und mit jedem Bauteil auf einem [integrierten Schaltkreis] erzeugt man Wärme, so dass man nicht mehr genug Wärme abführen kann, damit auch alles weiterhin funktioniert.“

Magneto-Elektrischer Transistor: Elektronen-Spin für Ein-Aus-Zustände nutzen

Typische Transistoren auf Siliziumbasis bestehen aus mehreren Anschlüssen. Zwei davon, Source und Drain genannt, dienen als Anfangs- und Endpunkte für die durch einen Schaltkreis fließenden Elektronen. Über diesem Kanal befindet sich ein weiterer Anschluss, das Gate. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Source kann bestimmt werden, ob der elektrische Strom mit geringem oder hohem Widerstand fließt, was entweder zu einer Anhäufung oder Abwesenheit von Elektronenladungen führt, die als 1 bzw. 0 kodiert werden. Ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff - auf den die meisten Computeranwendungen angewiesen sind - benötigt jedoch eine konstante Stromversorgung, um diese binären Zustände aufrechtzuerhalten.

Anstatt sich auf die elektrische Ladung zu stützen, wandte sich das Team dem Spin zu: einer mit dem Magnetismus zusammenhängenden Eigenschaft von Elektronen, die nach oben oder unten zeigt und wie die elektrische Ladung als 1 oder 0 gelesen werden kann. Elektronen, die durch Graphen fließen – ein ultrarobustes Material mit einer Dicke von nur einem Atom – können ihre anfängliche Spin-Ausrichtung über relativ lange Strecken beibehalten. Darin sahen die Forscher eine attraktive Eigenschaft, um das Potenzial eines Transistors auf Spintronikbasis zu demonstrieren. Die tatsächliche Steuerung der Ausrichtung dieser Spins bei wesentlich geringerem Stromverbrauch als bei einem herkömmlichen Transistor stellte jedoch eine wesentlich größere Herausforderung dar.

Um dies zu erreichen, mussten die Forschenden das Graphen mit dem richtigen Material unterlegen. Das Team wandte hierfür die Modifizierung von Chromoxid an. Dieses Material ist magneto-elektrisch, d. h. die Spins der Atome an seiner Oberfläche können durch Anlegen einer geringen, vorübergehenden, energieraubenden Spannung von oben nach unten oder umgekehrt umgedreht werden. Beim Anlegen einer positiven Spannung zeigen die Spins des darunter liegenden Chromoxids nach oben, was letztlich dazu führt, dass die Spin-Ausrichtung des elektrischen Stroms des Graphens nach links abbiegt und dabei ein nachweisbares Signal erzeugt. Bei negativer Spannung hingegen kippen die Spins des Chromoxids nach unten, wodurch die Spinausrichtung des Graphenstroms nach rechts kippt und ein deutlich unterscheidbares Signal erzeugt wird.

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„Wenn man auf einer Seite des Geräts sitzt und eine Spannung anlegt, dann fließt der Strom in diese Richtung. Man kann sagen, das ist 'an'“, sagte Dowben. Aber wenn der Strom in die andere Richtung fließt, ist er eindeutig aus“, so Dowben. „Dies ermöglicht eine enorme Wiedergabetreue bei sehr geringen Energiekosten. Man muss nur eine Spannung anlegen, und schon ist der Strom umgeschaltet.“

Eine von vielen derzeit in der Forschung befindlichen Möglichkeiten

So vielversprechend und funktionell die Demonstration des Teams auch war, Dowben sagte, dass es viele Alternativen zu Graphen gibt, die die gleiche Dicke von einem Atom haben, aber auch Eigenschaften aufweisen, die besser für einen magneto-elektrischen Transistor geeignet sind. Das Rennen um die Überlagerung von Chromoxid mit diesen anderen 2D-Kandidaten ist dem Physiker zufolge bereits im Gange, und markiere „nicht das Etwas, sondern den Anfang von etwas“.

„Jetzt, wo es funktioniert, beginnt der Spaß, denn jeder wird sein eigenes Lieblings-2D-Material haben und es ausprobieren“, so Dowben. „Einige davon werden viel, viel besser funktionieren, andere nicht. Aber jetzt, wo man weiß, dass es funktioniert, lohnt es sich, in diese anderen, anspruchsvolleren Materialien zu investieren. „Jetzt kann jeder mitmachen und herausfinden, wie man den Transistor wirklich gut und wettbewerbsfähig machen und sogar Silizium übertreffen kann.“

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