Ultradünne 2D-Transistoren für schnellere Computerchips

| Redakteur: Michael Eckstein

Planar: Elektronenmikroskop-Aufnahme des Transistors.
Planar: Elektronenmikroskop-Aufnahme des Transistors. (Bild: TU Wien)

Mit Hilfe neuartiger Isolatormaterialien lassen sich winzige, leistungsfähige Transistoren aus zweidimensionalen Materialien herstellen. Sind sie geeignet, die Gültigkeit des Moorschen Gesetzes zu reaktivieren?

Seit langem folgen die Chip-Hersteller dem Mantra des Moorschen Gesetzes: Demnach wird sich die Zahl der auf handelsüblichen Mikrochips integrierten Transistoren etwa alle zwei Jahre verdoppeln. Das hat über Jahrzehnte geklappt, die Mini-Schalter wurden immer kleiner, schneller und billiger. Doch seit einigen Jahren stockt diese Entwicklung. Sie ist offensichtlich an physikalische Grenzen gestoßen.

Aktuell haben mit modernster EUV-Lithographie (Extreme Ultra-Violet) hergestellte Halbleiter kleinste Strukturbreiten von rund 7 nm. TSMC und Samsung arbeiten bereits daran, diese Prozessknoten auf nur noch 5 respektive 3 nm zu schrumpfen. Bei einer weiteren Miniaturisierung werden die Transistorkanäle irgendwann so klein, dass sich bei Verwendung bisher üblicher Materialien mehr und mehr nichtlineare Effekte und Quanteneffekte bemerkbar machen. Statt striktem 0 oder 1 spielen plötzlich Wahrscheinlichkeiten die Hauptrolle. Das wirft in der Digitaltechnik Probleme auf.

Nun könnte allerdings der nächste große Miniaturisierungsschritt in greifbare Nähe rücken. Die Basis dafür bilden zweidimensionalen (2D) Materialien, die nur aus einer atomdicken Materialschicht bestehen. Kernkomponente ist ein neuartiger Isolator aus Kalziumfluorid: Damit gelang es Forschern an der TU Wien, einen ultradünnen Transistor herzustellen. Dieser weist nach Angaben der Entwickler ausgezeichnete elektrische Eigenschaften auf. Aufgrund seiner extrem geringen Schichtdicke ließe er sich zudem im Gegensatz zu bisherigen Technologien auch extrem stark verkleinern. Ihre Entdeckung haben die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Electronics“ präsentiert.

Dünne Halbleiter und dünne Isolatoren

Bei der Forschung an neuen Halbleitermaterialien für die Herstellung von Transistoren gab es in den letzten Jahren große Fortschritte: Mittlerweile lassen sich ultradünne Halbleiter als sogenannte 2D-Materialien herstellen, die nur noch aus wenigen Atomlagen bestehen. „Wenn man allerdings einen extrem kleinen Transistor bauen will, genügt das nicht“, erklärt Prof. Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik der TU Wien. „Zusätzlich zum ultradünnen Halbleiter braucht man auch noch einen ultradünnen Isolator.“

Das liegt am grundlegenden Aufbau eines Transistors: Strom kann von einer Seite des Transistors (Quelle, Source) zur anderen (Senke, Drain) fließen – aber nur, wenn in der Mitte durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld erzeugt wird und dadurch der Kanal zwischen beiden elektrisch leitend wird. Zwischen der Elektrode, die für dieses Feld sorgt, und dem Halbleiter selbst braucht man eine isolierende Schicht. „Immer wieder gab es Transistor-Experimente mit ultradünnen Halbleitern, gekoppelt mit gewöhnlichen, dickeren Isolatoren“, sagt Tibor Grasser. „Doch das bringt wenig – erstens kann man nicht von einer Miniaturisierung sprechen, wenn der Transistor inklusive Isolator dann doch wieder eine größere Dicke hat. Zweitens zeigte sich, dass die sensiblen elektronischen Eigenschaften des Halbleiters von der minderwertigen Isolator-Oberfläche gestört werden.“

Daher verfolgte Yury Illarionov, Postdoc im Team von Tibor Grasser, einen neuartigen Ansatz: Wenn man nicht nur für den Halbleiter, sondern auch für den Isolator ein ultradünnes Material mit klar definierter Oberfläche verwendet, also zum Beispiel ionische Kristalle, dann lässt sich ein Transistor mit einer Größe von nur wenigen Nanometern bauen. Die elektronischen Eigenschaften werden verbessert, weil ionische Kristalle eine perfekt regelmäßige Oberfläche haben - ohne einzelne herausragende Atome, die das elektrische Feld stören könnten. „Konventionelle Materialien haben kovalente Bindungen in die dritte Dimension – also Atome, die oben und unten an Atome des Nachbarmaterials koppeln“, erklärt Tibor Grasser. „Das ist bei 2D-Materialien und ionischen Kristallen nicht der Fall, deshalb stören sie die elektrischen Eigenschaften des Nachbarmaterials nicht.“

Schon der Prototyp ist Weltmeister

An der TU Wien entschied man sich für einen Isolator aus einer atomar dünnen Schicht aus Kalziumfluorid. Die Kalziumfluorid-Schicht wurde am Joffe-Institut in St. Petersburg hergestellt, wo auch der Erstautor der Publikation, Yury Illarionov, geforscht hatte, bevor er an die TU Wien wechselte. Der Transistor selbst wurde dann am Institut für Photonik der TU Wien in der Gruppe von Prof. Thomas Müller gefertigt und anschließend am Institut für Mikroelektronik untersucht.

Schon der erste Prototyp übertraf die Erwartungen der Forscher: „Wir haben in den letzten Jahren immer wieder unterschiedliche Transistoren bekommen, um ihre technischen Eigenschaften zu untersuchen – aber so etwas wie unseren Transistor mit Kalziumfluorid-Isolator haben wir noch nie gesehen“, sagt Tibor Grasser. „Der Prototyp stellt mit seinen elektrischen Eigenschaften alle bisherigen Ergebnisse in den Schatten.“ Nun soll untersucht werden, welche Kombinationen von Isolatoren und Halbleitern am besten funktionieren.

Bis die Technologie für handelsübliche Computerchips taugt, werden wohl noch einige Jahre vergehen – die Herstellungsverfahren für die Materialschichten müssen noch verbessert werden. „Grundsätzlich besteht für uns aber kein Zweifel daran, dass Transistoren aus 2D- Materialien eine hochinteressante Option für die Zukunft sind“, sagt Tibor Grasser. „Aus wissenschaftlicher Sicht steht fest, dass die nun vorgestellten Fluoride derzeit am besten als Isolator funktionieren. Jetzt sind noch einige technische Fragen zu klären.“

Für die Computerindustrie soll durch solche kleineren, schnelleren Transistoren der nächste große Entwicklungsschritt möglich werden. So könnte das Mooresche Gesetz von der Verdopplung der Rechenkapazität bald wieder gelten.

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