Dünner Transistor

TU Wien ebnet Weg für schnellere Computerchips

24.07.2019 11:58

Gut alle zwei Jahre konnte die Anzahl von Transistoren auf handelsüblichen Mikrochips bislang verdoppelt werden - auch bekannt als „Mooresches Gesetz“. Doch seit einigen Jahren ist damit Schluss: Die Miniaturisierung ist an eine natürliche Grenze gestoßen. Wissenschaftler der TU könnten nun allerdings den nächsten großen Miniaturisierungsschritt ermöglichen - mit zweidimensionalen Materialien, die nur aus einer atomdicken Materialschicht bestehen.

Bei der Forschung an Halbleitermaterialien, wie man sie zur Herstellung von Transistoren benötigt, 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 Professor 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 zur anderen fließen - aber nur, 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“, so 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, und zweitens zeigte sich, dass die sensiblen elektronischen Eigenschaften des Halbleiters von der minderwertigen Isolator-Oberfläche gestört werden.“

Daher verfolgte Yury Illarionov, Postdoc in Grassers Team, 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.

Schon der Prototyp ist Weltmeister
Man entschied sich für einen Isolator aus einer atomar dünnen Schicht aus Kalziumfluorid. 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“, schildert 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 verwendet werden kann, werden wohl noch einige Jahre vergehen - die Herstellungsverfahren für die Materialschichten müssen noch verbessert werden.

„Noch einige technische Fragen zu klären“
„Grundsätzlich besteht für uns aber kein Zweifel daran, dass Transistoren aus 2D-Materialien eine hochinteressante Option für die Zukunft sind“, sagt 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.