Extrem flacher Transistor ohne Silizium

Mehrere Milliarden Transistoren schalten mittlerweile in hoch entwickelten Prozessoren. Zwar können die auf den Halbleiter Silizium basierenden Chipstrukturen noch weiter schrumpfen, aber die mindestens benötigen Schaltspannungen lassen sich kaum noch verringern und stoßen an ihre physikalische Grenze. Mit einem neuartigen Transistor aus Germanium und Molybdändisulfid erreichten nun Wissenschaftler deutlich geringere Werte. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnten mit ihrer Technologie in Zukunft sparsamere Chips mit extrem hoher Transistordichte entwickelt werden.

„Unser Transistor hat das Potenzial, einen neuen Weg zu ultradichten Schaltkreisen mit geringem Strombedarf aufzuzeigen“, schreiben Deblina Sarkar und ihre Kollegen von der University of California in Santa Barbara. Für ihren Prototyp nutzten sie statt des etablierten Halbleiters Silizium eine hauchdünne Schicht aus dotiertem Germanium. Diese verknüpften sie mit einer nur wenige Atome dicken Lage aus Molybdändisulfid. Diese ungewöhnliche Chiparchitektur vervollständigten sie mit einem isolierenden Dielektrikum und den für Transistoren üblichen drei Kontaktelektroden.

Für den Schaltprozess wurde mit einer Grundspannung das Leitungsband von Molybdändisulfid ein wenig abgesenkt. Dadurch konnten Elektronen aus dem Valenzband des Germaniums durch eine Potenzialbarriere tunneln. Die Versuche von Sarkar und Kollegen zeigten, dass dieser sogenannte Tunneltransistor (TFET) schon mit geringen Spannungen von etwa 100 Millivolt geschaltet werden konnte. Verglichen mit herkömmlichen Transistoren kam ihr TFET mit einem Zehntel der elektrischen Leistung aus. Neben einem geringeren Stromverbrauch würde ein Prozessor aus Tunneltransistoren den Vorteil haben, deutlich weniger Abwärme zu erzeugen.

Bis solche Tunneltransistoren in hoher Dichte in einem Prozessor angeordnet werden, ist aber noch eine langjährige Entwicklungsarbeit nötig. Doch weist dieser Prototyp bereits die Eigenschaften auf, die Chipentwickler auf ihrer Roadmap für eine fortschreitende Miniaturisierung für nötig halten. Nun gilt es, für eine Massenfertigung geeignete Verfahren zu entwickeln, um beispielsweise die extrem flachen und daher zweidimensional genannten Molybdändisulfid-Schichten in hoher Qualität und schnell in eine Chiparchitektur integrieren zu können.

Diesen Weg schlug schon vor einigen Monaten eine Arbeitsgruppe vom Kavli Institute for Nanoscale Science an der Cornell University ein. Mit einem optimierten Aufdampfverfahren, schufen sie nur drei Atomlagen dicke Molybdändisulfid-Schichten von einigen Quadratzentimeter Größe. Aus diesen fertigten sie ein Areal von 200 Feldeffekttransistoren. Diese Erfahrungen könnten in Zukunft auch für die Produktion von Chips mit zahlreichen Tunneltransistoren genutzt werden.