Augsburger Physiker bauen mit Metalloxiden elektronische Schaltkreise, die für Hochleistungschips jenseits der Silizium-Technologie geeignet sind

Diodenchip aus schaltbaren Metalloxiden

Augsburg/Pittsburgh (USA) - Etwa zehnmal winziger als die kleinsten Silizium-Transistoren sind die neuen Schaltkreise, die Physiker von der Universität Augsburg herstellen konnten. In der Zeitschrift "Science" präsentieren sie hauchdünne Schichten aus den Metalloxiden Lanthanaluminat und Strontiumtitanat, deren Leitfähigkeit sich durch Spannungspulse gezielt schalten lässt. Die nur zwei bis vier Nanometer kleinen Strukturen gelten als viel versprechende Kandidaten für extrem leistungsfähige und nichtflüchtige Arbeitsspeicher für die Zeit nach der Siliziumära.

"Mit solchen Oxiden hat man man weit mehr Möglichkeiten als mit Halbleitern wie Silizium", sagt Stefan Thiel vom Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Universität Augsburg. Denn die Metalloxid-Filme können sich im Prinzip die digitalen Basiswerte "0" und "1" auch ohne jeden Stromfluss merken und so zu nichtflüchtigen Speichern führen. Erste Testmessungen der so genannten "SketchFET"-Schaltkreise, die zusammen mit Kollegen der University of Pittsburgh durchgeführt wurden, zeigten ein gut kontrollierbares Schaltverhalten bei Raumtemperatur.

Mit positiven und negativen Spannungspulsen, die aus einer atomfeinen Spitze eines Atomkraftmikroskops auf die Metalloxid-Strukturen wirkten, konnten die Wissenschaftler zwischen isolierenden und leitfähigen Zuständen hin- und herschalten. Der Unterschied in der Leitfähigkeit war dabei groß genug, um zwischen den digitalen Werten "0" und "1" unterscheiden zu können. Der Grund für diese schaltbaren elektronischen Eigenschaften der Metalloxid-Schichten könnte in einer durch die Spannungspulse verursachten Umordnung der enthaltenen Sauerstoffatome liegen, doch endgültig geklärt ist dieses Phänomen noch nicht.

Da Schaltkreise aus Silizium bei diesen Dimensionen von wenigen Nanometern wahrscheinlich nicht mehr zuverlässig funktionieren werden, suchen die Chipentwickler händeringend nach neuen Materialien. Es gilt, auch im kommenden Jahrzehnt alle 18 Monate die Leistungsfähigkeit von Chips gemäß dem empirischen Gesetz von Moore steigern zu können. So werden Forscher bei den Chipherstellern weltweit die Augsburger Versuche mit großem Interesse verfolgen. Denn Metalloxide und deren hauchdünnen Grenzschichten gelten als aussichtsreiche Kandidaten und wurden auch schon in der offiziellen Roadmap der Chipentwickler in der Rubrik "Aufkommende Technologien" aufgenommen.

Diese Prozessoren der Zukunft werden Daten nicht nur rasant verarbeiten, sondern sich diese zugleich auch ohne jeden Stromfluss merken können. Arbeits- und Datenspeicher können dann zu einem einzigen Modul verschmelzen. Solche Prozessoren werden deutlich weniger Strom verbrauchen als heute und zudem das zeitraubende "Hochfahren" oder "Booten" eines Computers überflüssig machen. Neben den Metalloxiden befinden sich noch weitere Ansätze in der Entwicklungs-Pipeline für solche nichtflüchtigen Arbeitsspeicher. Frühestens ist aber erst Mitte des kommenden Jahrzehnts mit ersten, marktfähigen Chips zu rechnen, die es in punkto Leistungsfähigkeit mit herkömmlichen Silizium-Prozessoren aufnehmen können. Und vielleicht werden diese aus den erprobten Metalloxiden der Augsburger Forscher bestehen.