Siliziumtransistoren, die zum Verstärken und Schalten von Signalen verwendet werden, sind eine wichtige Komponente in den meisten elektronischen Geräten, von Smartphones bis hin zu Automobilen. Die Silizium-Halbleitertechnologie wird jedoch durch eine grundlegende physikalische Grenze gebremst, die verhindert, dass Transistoren unterhalb einer bestimmten Spannung arbeiten. Diese als „Boltzmann-Tyrannei“ bekannte Grenze behindert die Energieeffizienz von Computern und anderen elektronischen Geräten, insbesondere angesichts der raschen Entwicklung von Technologien der künstlichen Intelligenz, die schnellere Berechnungen erfordern.
In dem Bemühen, diese grundlegende Grenze von Silizium zu überwinden, haben MIT-Forscher eine andere Art von dreidimensionalen Transistoren unter Verwendung eines einzigartigen Satzes von ultradünnen Halbleitermaterialien hergestellt. Ihre Bauelemente mit vertikalen Nanodrähten, die nur wenige Nanometer breit sind, können eine Leistung erbringen, die mit der modernster Siliziumtransistoren vergleichbar ist, und gleichzeitig bei viel niedrigeren Spannungen als herkömmliche Bauelemente effizient arbeiten. „Diese Technologie hat das Potenzial, Silizium zu ersetzen, das heißt man könnte sie für alle Funktionen verwenden, die Silizium derzeit hat, aber mit einer viel besseren Energieeffizienz“, sagt Yanjie Shao, ein MIT-Postdoktorand und Hauptautor eines Artikels über die neuen Transistoren.
Quantenmechanischer Ansatz
Die Transistoren nutzen quantenmechanische Eigenschaften, um auf einer Fläche von nur wenigen Quadratnanometern gleichzeitig Niederspannungsbetrieb und hohe Leistung zu erreichen. Aufgrund ihrer extrem geringen Größe könnten mehr dieser 3D-Transistoren auf einen Computerchip gepackt werden, was zu schneller, leistungsfähiger und energieeffizienter Elektronik führen würde.
„Mit konventioneller Physik kann man nur bis zu einem bestimmten Punkt gehen. Die Arbeit von Yanjie zeigt, dass wir es besser machen können, aber wir müssen eine andere Physik anwenden. Es gibt noch viele Herausforderungen zu bewältigen, damit dieser Ansatz in Zukunft kommerziell genutzt werden kann, aber vom Konzept her ist es wirklich ein Durchbruch“, sagt der Hauptautor Jesús del Alamo, der Donner-Professor für Ingenieurwissenschaften am MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).
Neben ihnen arbeiten Ju Li, Professor für Nukleartechnik bei der Tokyo Electric Power Company und Professor für Materialwissenschaft und -technik am MIT, der EECS-Absolvent Hao Tang, der MIT-Postdoktorand Baoming Wang sowie die Professoren Marco Pala und David Esseni von der Universität Udine in Italien an der Arbeit.
Mehr als nur Silizium
In elektronischen Geräten arbeiten Siliziumtransistoren oft als Schalter. Durch Anlegen einer Spannung an den Transistor werden Elektronen über eine Energiebarriere von einer Seite auf die andere bewegt, wodurch der Transistor von „aus“ auf „an“ geschaltet wird. Durch das Schalten stellen Transistoren Binärziffern dar, um Berechnungen durchzuführen. Die Schaltflanke eines Transistors spiegelt die Schärfe des Übergangs von „Aus“ zu „Ein“ wider. Je steiler die Steigung, desto weniger Spannung ist zum Einschalten des Transistors erforderlich und desto höher ist seine Energieeffizienz. Aufgrund der Art und Weise, wie sich Elektronen über eine Energiebarriere bewegen, erfordert die Boltzmann-Tyrannei jedoch eine bestimmte Mindestspannung, um den Transistor bei Raumtemperatur zu schalten.
Um die physikalischen Grenzen von Silizium zu überwinden, verwendeten die MIT-Forscher eine andere Gruppe von Halbleitermaterialien – Galliumantimonid und Indiumarsenid – und konzipierten ihre Geräte so, dass sie ein einzigartiges Phänomen der Quantenmechanik, das so genannte Quantentunneln, nutzen. Quanten-Tunneling ist die Fähigkeit von Elektronen, Barrieren zu durchdringen. Die Forscher stellten Tunneltransistoren her, die diese Eigenschaft nutzen, um Elektronen dazu zu bringen, die Energiebarriere zu durchdringen, anstatt sie zu überwinden.
„Jetzt kann man das Gerät ganz einfach ein- und ausschalten“, sagt Shao. Tunneltransistoren können zwar scharfe Schaltflanken ermöglichen, arbeiten aber in der Regel mit einem geringen Strom, was die Leistung eines elektronischen Geräts beeinträchtigt. Um leistungsfähige Transistorschalter für anspruchsvolle Anwendungen zu schaffen, ist ein höherer Strom erforderlich.
Feinkörnige Herstellung
Mit den Werkzeugen von MIT.nano, der hochmodernen Einrichtung des MIT für Forschung im Nanobereich, konnten die Ingenieure die 3D-Geometrie ihrer Transistoren sorgfältig kontrollieren und vertikale Nanodraht-Heterostrukturen mit einem Durchmesser von nur 6 nm herstellen. Sie glauben, dass dies die kleinsten 3D-Transistoren sind, über die bisher berichtet wurde. Dank dieser präzisen Technik konnten sie eine scharfe Schaltflanke und gleichzeitig einen hohen Strom erreichen. Dies ist durch ein Phänomen möglich, das als Quanteneinschluss bezeichnet wird.
Quanteneinschluss liegt vor, wenn ein Elektron auf einem so kleinen Raum eingeschlossen ist, dass es sich nicht mehr bewegen kann. In diesem Fall ändern sich die effektive Masse des Elektrons und die Eigenschaften des Materials, was ein stärkeres Tunneln des Elektrons durch eine Barriere ermöglicht. Da die Transistoren so klein sind, können die Forscher einen sehr starken Quanteneinschränkungseffekt erzielen und gleichzeitig eine extrem dünne Barriere herstellen. „Wir können diese Materialheterostrukturen sehr flexibel gestalten, so dass wir eine sehr dünne Tunnelbarriere erreichen können, die uns sehr hohe Stromstärken ermöglicht“, sagt Shao.
Die präzise Herstellung von Bauteilen, die klein genug sind, um dies zu erreichen, war eine große Herausforderung. „Mit dieser Arbeit bewegen wir uns wirklich im Ein-Nanometer-Bereich. Nur sehr wenige Gruppen auf der Welt können gute Transistoren in diesem Bereich herstellen. Yanjie ist außerordentlich fähig, solche gut funktionierenden Transistoren herzustellen, die so extrem klein sind“, sagt del Alamo. Als die Forscher ihre Bauelemente testeten, lag die Schärfe der Schaltflanke unterhalb der fundamentalen Grenze, die mit herkömmlichen Siliziumtransistoren erreicht werden kann. Ihre Bauelemente schnitten auch etwa 20 Mal besser ab als ähnliche Tunneltransistoren. „Dies ist das erste Mal, dass wir mit diesem Design eine so scharfe Schaltflanke erreichen konnten“, fügt Shao hinzu.
Zukünftige Entwicklungen
Die Forscher sind nun bestrebt, ihre Herstellungsmethoden zu verbessern, um die Transistoren auf dem gesamten Chip einheitlicher zu gestalten. Bei so kleinen Bauelementen kann selbst eine Abweichung von einem Nanometer das Verhalten der Elektronen verändern und den Betrieb der Bauelemente beeinträchtigen. Zusätzlich zu den vertikalen Nanodrahttransistoren erforschen sie auch vertikale flossenförmige Strukturen, die die Gleichmäßigkeit der Bauelemente auf einem Chip verbessern könnten.
„Diese Arbeit geht definitiv in die richtige Richtung und verbessert die Leistung von Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET) mit gebrochenem Spalt erheblich. Sie zeigt einen steilen Anstieg in Verbindung mit einem Rekord-Treiberstrom. Sie unterstreicht die Bedeutung von kleinen Abmessungen, extremer Begrenzung und Materialien mit geringer Fehleranfälligkeit in dem hergestellten TFET mit gebrochenem Spalt. Diese Eigenschaften wurden durch einen gut beherrschten und auf Nanometergröße kontrollierten Prozess realisiert“, sagt Aryan Afzalian, ein leitender technischer Mitarbeiter der Nanoelektronik-Forschungsorganisation Imec, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.
