Sie sind hier: HomeThemenSmart ComponentsSonstige

Rekord-Eigenschaften: Ultradünne »2D«-Transistoren für schnellere Computerchips

Einen wichtigen Erfolg melden Forscher der TU Wien: Erstmals gelang es ihnen, einen zweidimensionalen (2D), d.h. nur wenige Atomlagen »dicken« Halbleiter mit einem ebenfalls ultradünnen Isolator zu einem Transistor zu vereinen. Die Nachrufe auf das Mooresche Gesetz könnten verfrüht gewesen sein.

2D-Transistor Bildquelle: © TU Wien

Schematische Darstellung des Transistors

Strom kann von einer Seite eines Transistors zur anderen fließen, wenn in der Mitte durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ein passendes elektrisches Feld erzeugt 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 Prof. Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik der TU Wien. „Doch das bringt wenig – erstens kann man nicht von einer Miniaturisierung sprechen, wenn der Transistor inklusive Isolator dann doch wieder eine größere Dicke hat, und zweitens zeigte sich, dass die sensiblen elektronischen Eigenschaften des Halbleiters von der minderwertigen Isolator-Oberfläche gestört werden.“ 

2D Transistor Bildquelle: © TU Wien

Elektronenmikroskop-Aufnahme des Transistors

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.“ 

Man entschied 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 alle Erwartungen:

„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.“

Jetzt wird untersucht, welche Kombinationen von Isolatoren und Halbleitern am besten funktionieren. Bis die Technologie für handelsübliche Computerchips verwendet werden kann, 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 die derzeit beste Lösung für das Isolatorproblem sind. 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.

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.“ 

Man entschied 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 alle Erwartungen:

„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.“

Jetzt wird untersucht, welche Kombinationen von Isolatoren und Halbleitern am besten funktionieren. Bis die Technologie für handelsübliche Computerchips verwendet werden kann, 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 die derzeit beste Lösung für das Isolatorproblem sind. 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.