Nanoskalige Transistoren könnten effizientere Elektronik ermöglichen – Adam Zewe, MIT News
Nanoskalige 3D-Transistoren aus ultradünnen Halbleitermaterialien können effizienter arbeiten als siliziumbasierte Geräte, indem sie quantenmechanische Eigenschaften nutzen, um KI-Anwendungen mit extra niedrigem Stromverbrauch zu ermöglichen.
Siliziumtransistoren, die zur Verstärkung und zum Schalten von Signalen verwendet werden, sind eine entscheidende Komponente in den meisten elektronischen Geräten, von Smartphones bis hin zu Autos. Die Silizium-Halbleitertechnologie wird jedoch durch eine grundlegende physikalische Grenze eingeschränkt, die verhindert, dass Transistoren unterhalb einer bestimmten Spannung arbeiten.
Diese Grenze, die als „Boltzmann-Tyrannei“ bekannt ist, behindert die Energieeffizienz von Computern und anderen elektronischen Geräten, insbesondere angesichts der rasanten Entwicklung von Technologien der künstlichen Intelligenz, die schnellere Berechnungen erfordern.
Um diese grundlegende Beschränkung von Silizium zu überwinden, haben MIT-Forscher einen anderen Typ von dreidimensionalem Transistor entwickelt, der aus einem einzigartigen Satz ultradünner Halbleitermaterialien besteht.
Ihre Geräte, die mit vertikalen Nanodrähten von nur wenigen Nanometern Breite ausgestattet sind, können eine Leistung liefern, die mit der von hochmodernen Siliziumtransistoren vergleichbar ist, und arbeiten dabei effizient bei viel niedrigeren Spannungen als herkömmliche Geräte.
„Diese Technologie hat das Potenzial, Silizium zu ersetzen. Man könnte sie also mit allen Funktionen verwenden, die Silizium derzeit hat, aber mit einer viel besseren Energieeffizienz“, sagt Yanjie Shao, Postdoc am MIT und Hauptautor eines Artikels über die neuen Transistoren.
Die Transistoren nutzen quantenmechanische Eigenschaften, um gleichzeitig einen Niederspannungsbetrieb und eine hohe Leistung auf einer Fläche von nur wenigen Quadratnanometern zu erreichen. Durch ihre extrem geringe Größe könnten mehr dieser 3D-Transistoren auf einem Computerchip untergebracht werden, was zu einer schnellen, leistungsstarken und gleichzeitig energieeffizienteren Elektronik führt.
„Mit der konventionellen Physik ist man an Grenzen gestoßen. Die Arbeit von Yanjie zeigt, dass wir es besser machen können, aber wir müssen eine andere Physik verwenden. Es gibt noch viele Herausforderungen zu bewältigen, damit dieser Ansatz in Zukunft kommerziell genutzt werden kann, aber konzeptionell ist es wirklich ein Durchbruch“, sagt der leitende Autor Jesús del Alamo, Donner-Professor für Ingenieurwesen am MIT-Fachbereich Elektrotechnik und Informatik (EECS).
An der Veröffentlichung sind außerdem Ju Li, Professorin für Kerntechnik bei der Tokyo Electric Power Company und Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am MIT, der EECS-Doktorand Hao Tang, der MIT-Postdoc Baoming Wang sowie die Professoren Marco Pala und David Esseni von der Universität Udine in Italien beteiligt. Die Forschungsergebnisse werden heute in Nature Electronics veröffentlicht.
Silizium übertreffen
In elektronischen Geräten fungieren Siliziumtransistoren oft als Schalter. Durch das Anlegen einer Spannung an den Transistor bewegen sich Elektronen über eine Energiebarriere von einer Seite zur anderen und schalten den Transistor von „aus“ auf „ein“. 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 Flanke, desto weniger Spannung ist erforderlich, um den Transistor einzuschalten, 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 physikalische Grenze von Silizium zu überwinden, verwendeten die MIT-Forscher einen anderen Satz von Halbleitermaterialien – Galliumantimonid und Indiumarsenid – und entwarfen ihre Geräte so, dass sie ein einzigartiges Phänomen der Quantenmechanik nutzen, das als Quanten-Tunneln bezeichnet wird.
Quanten-Tunneln 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 durchbrechen, 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 niedrigem Strom, was die Leistung eines elektronischen Geräts beeinträchtigt. Für leistungsstarke Transistorschalter für anspruchsvolle Anwendungen ist ein höherer Strom erforderlich.
Feinkörnige Herstellung
Mit den Werkzeugen von MIT.nano, der hochmodernen Einrichtung des MIT für die Forschung im Nanobereich, konnten die Ingenieure die 3D-Geometrie ihrer Transistoren sorgfältig kontrollieren und vertikale Nanodraht-Heterostrukturen mit einem Durchmesser von nur 6 Nanometern herstellen. Sie glauben, dass es sich hierbei um die kleinsten 3D-Transistoren handelt, über die bisher berichtet wurde.
Durch diese präzise Technik konnten sie gleichzeitig eine scharfe Schaltflanke und einen hohen Strom erzielen. Dies ist aufgrund eines Phänomens möglich, das als Quantenbeschränkung bezeichnet wird.
Quantenbeschränkung tritt auf, wenn ein Elektron auf einen Raum beschränkt ist, der so klein ist, dass es sich nicht bewegen kann. Wenn dies geschieht, ändern sich die effektive Masse des Elektrons und die Eigenschaften des Materials, wodurch ein stärkeres Tunneln des Elektrons durch eine Barriere ermöglicht wird.
Da die Transistoren so klein sind, können die Forscher einen sehr starken Quanten-Confinement-Effekt erzeugen und gleichzeitig eine extrem dünne Barriere herstellen.
„Wir haben viel Flexibilität bei der Gestaltung dieser Material-Heterostrukturen, sodass wir eine sehr dünne Tunnelbarriere erreichen können, die es uns ermöglicht, sehr hohe Ströme zu erzeugen“, sagt Shao.
Die präzise Herstellung von Geräten, die klein genug waren, um dies zu erreichen, war eine große Herausforderung.
„Bei dieser Arbeit bewegen wir uns wirklich in Dimensionen von einem Nanometer. Nur sehr wenige Gruppen auf der Welt können gute Transistoren in diesem Bereich herstellen. Yanjie ist außerordentlich fähig, so gut funktionierende Transistoren herzustellen, die so extrem klein sind“, sagt del Alamo.
Als die Forscher ihre Geräte testeten, lag die Schärfe der Schaltflanke unter dem grundlegenden Grenzwert, der mit herkömmlichen Siliziumtransistoren erreicht werden kann. Ihre Geräte schnitten außerdem etwa 20-mal besser ab als ähnliche Tunneltransistoren.
„Mit diesem Design konnten wir zum ersten Mal eine so hohe Schaltsteilheit erreichen“, fügt Shao hinzu.
Die Forscher arbeiten nun daran, ihre Herstellungsmethoden zu verbessern, um die Transistoren auf einem gesamten Chip einheitlicher zu machen. Bei so kleinen Geräten kann selbst eine Abweichung von 1 Nanometer das Verhalten der Elektronen verändern und den Betrieb des Geräts beeinträchtigen. Sie erforschen auch vertikale, lamellenförmige Strukturen, zusätzlich zu vertikalen Nanodraht-Transistoren, die möglicherweise die Einheitlichkeit der Geräte auf einem Chip verbessern könnten.
„Diese Arbeit geht definitiv in die richtige Richtung und verbessert die Leistung des Tunnel-Feldeffekttransistors (TFET) mit gebrochenem Spalt erheblich. Sie zeigt eine steile Flanke zusammen mit einem Rekord-Ansteuerstrom. Sie unterstreicht die Bedeutung kleiner Abmessungen, extremer Einengung und defektarmer Materialien und Schnittstellen in dem hergestellten TFET mit gebrochenem Spalt. Diese Merkmale wurden durch einen gut beherrschten und auf Nanometergröße kontrollierten Prozess realisiert“, sagt Aryan Afzalian, leitender Mitarbeiter des technischen Personals bei der Nanoelektronik-Forschungsorganisation imec, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.
Diese Forschung wird zum Teil von der Intel Corporation finanziert.
Wiedergabe mit Erlaubnis von MIT News.
