Forscher überdenken den Transistor auf materieller Ebene

Transistoren stoßen hinsichtlich Größe und Geschwindigkeit an ihre physikalischen Grenzen. Je kleiner die Transistoren werden, desto kleiner wird der Abstand zwischen Source und Drain, was zu hohen Leckströmen führt. Und wenn sich die Transistorgröße dem atomaren Niveau nähert, ist es schwierig, den Stromfluss zu kontrollieren, was zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Rechenfehlern führt.

Kleinere Transistoren bedeuten langsamere Schaltgeschwindigkeiten, was insbesondere bei neueren Anwendungen wie der künstlichen Intelligenz problematisch ist, bei denen riesige Datensätze verarbeitet werden müssen. Eine dichtere Integration wird auch aufgrund von Stapel- und Wärmemanagementproblemen zu einer Herausforderung.

In diesem Artikel werden aktuelle Forschungsentwicklungen erörtert, die die Grenzen bestehender Transistortechnologien erweitern, und wie sie aktuelle Geräte übertreffen können.

Aktuelle Transistoren sind sperrig und können für eine hohe Dichte nicht einfach vertikal gestapelt werden. Für eine solche Integration müssen Transistoren aus ultradünnen 2D-Materialien hergestellt werden, die nur wenige Atome dick sind. Das Züchten von 2D-Materialien auf einem Siliziumwafer ist jedoch eine Herausforderung, da hierfür normalerweise eine Temperatur von etwa 600 °C erforderlich ist – und Schaltkreise nur bis zu 400 °C aushalten können.

Um diese Probleme anzugehen, haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Niedertemperaturprozess entwickelt, um 2D-Materialien auf dem Chip wachsen zu lassen, ohne sie zu beschädigen. Das neue Verfahren verkürzt die Zeit zur Erstellung der 2D-Materialien und erzeugt eine gleichmäßige Schicht über die gesamte Oberfläche. Dadurch kann das neue Verfahren für größere Flächen eingesetzt werden als herkömmliche Verfahren.

Zur Demonstration und Validierung ihres neuen Prozesses konzentrierten sich die MIT-Forscher auf Molybdändisulfid, ein transparentes und flexibles Material mit elektronischen und photonischen Eigenschaften. Ihr Prozess findet in einem Ofen mit zwei Kammern statt: einem Niedertemperaturbereich vorne und einem Hochtemperaturbereich hinten. Der Wafer wird vorne platziert, sodass er intakt bleibt. Verdampfte Molybdän- und Schwefelvorläufer werden in den Ofen gepumpt. Molybdän bleibt vorne und Schwefelvorläufer strömt in den Hochtemperaturbereich, um sich zu zersetzen. Nach der Zersetzung fließt es zurück in die Tieftemperaturkammer, wo das Molybdändisulfid wächst.

Die Forscher platzierten den Wafer vertikal in der vorderen Kammer, sodass keine Kante zu nahe am Hochtemperaturbereich lag. Sie haben außerdem eine dünne Schicht Passivierungsmaterial auf der Oberseite des Chips aufgebracht, um die Schwefelung von Metallen wie Aluminium und Kupfer zu verhindern, die üblicherweise in Siliziumschaltkreisen zum Verbinden eines Gehäuses oder Trägers verwendet werden. Die Passivierungsschicht wird später entfernt, um Verbindungen herzustellen. Die Forscher planen, ihre Technik zu verfeinern und die Anwendung dieses Verfahrens auf flexible Oberflächen wie Polymere, Textilien und Papiere zu untersuchen.

Forscher des Forschungszentrums Jülich haben Materialien mit günstigeren elektronischen Eigenschaften als Silizium für leistungsfähigere Schaltkreise erforscht. Sie haben kürzlich eine Germanium-Zinn-Legierung hergestellt, die viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Siliziumtransistoren bietet.

Germanium weist eine höhere Elektronenmobilität auf als Silizium. Die Forscher fügten dem Germaniumgitter Zinnatome hinzu, um die elektronischen Eigenschaften des Materials weiter zu optimieren. Die Elektronenmobilität der neuen Legierung ist 2,5-mal höher als bei reinen Germaniumtransistoren und ist mit dem aktuellen CMOS-Herstellungsprozess kompatibel.

Die neuen Transistoren arbeiten bei Temperaturen bis zu 12 Kelvin – eine wichtige Verbesserung gegenüber bestehenden Transistoren, die zum Schalten bei Temperaturen unter 50 Kelvin eine hohe Spannung benötigen und mehr Strom verbrauchen. Die Wissenschaftler behaupten, dass ihre Legierung mit weiteren Verbesserungen sogar den Betrieb von Transistoren bei Temperaturen unter 12 Kelvin ermöglichen könnte. Das Team glaubt, dass ihre Technologie ein vielversprechender Kandidat für stromsparende Hochleistungschips der nächsten Generation und möglicherweise für die Zukunft von Quantencomputern ist.

Forscher der Universität Linköping und des KTH Royal Institute of Technology haben einen Transistor mit Holz entwickelt. Für diese Anwendung verwendeten sie Balsaholz, ein maserloses, gleichmäßig strukturiertes Holz. Sie entfernten Lignin und hinterließen nur Zellulosefasern mit Kanälen, die dann mit einem leitfähigen Polymer namens PEDOT:PSS gefüllt wurden.

Das Team stellte fest, dass ihr Gerät den elektrischen Strom regelte und einen kontinuierlichen Betrieb bei einem ausgewählten Ausgangsniveau ermöglichte. Allerdings war die Umschaltzeit sehr lang. Das Ausschalten dauerte etwa eine Sekunde und das Einschalten fünf Sekunden.

Den Forschern zufolge können diese organischen Transistoren für Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden, da sie hohen Strömen standhalten können. Obwohl das Team dieses Gerät nicht für eine bestimmte Anwendung entwickelt hat, hoffen sie, dass ihre Forschung den Weg für die zukünftige organische Elektronik ebnen wird.