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Einem Forschungsteam vom Lawrence Berkeley National Laboratory unter Leitung von Professor Ali Javey gelang genau das – sie entwickelten einen Transistor mit einem funktionierenden 1-nm-Gate. Im Vergleich: Ein menschliches Haar hat eine Dicke von etwa 50 000 nm.
Erfolg dank Kohlenstoffnanoröhren und Molybdändisulfid
«Wir fertigten den derzeit kleinsten Transistor», sagte Javey, Leiter des Elektronikmaterialprogramms in der Materials Science Division des Berkeley Labs. «Die Gatelänge wird als eine prägende Dimension des Transistors angesehen. Wir demonstrierten einen Transistor mit einem 1-nm-Gate. Das zeigt, dass man mit der richtigen Materialauswahl weitaus mehr Raum bei der Verkleinerung der Elektronik hat.» Der Schlüssel zum Erfolg waren Kohlenstoffnanoröhren und Molybdändisulfid (MoS2), ein handelsübliches Motorenschmiermittel. Molybdändisulfid gehört zu einer Materialfamilie, die ein enormes Potenzial für Applikationen in LEDs, Lasern, Nanotransistoren und Solarzellen aufweist. Der Forschungsbericht erschien im Journal «Science». Weitere Mitarbeiter von Javey kamen von UC Berkeley, der University of Texas at Dallas und der Stanford University.
Bleibt Moore’s Law doch noch eine Weile am Leben?
Diese herausragende Entwicklung könnte Moore´s Law noch eine Weile am Leben erhalten und die Performance der einschlägigen Elektronikgeräte weiterhin verbessern. «Die Halbleiterindustrie ging für lange Zeit davon aus, dass jedes Gate von weniger als 5 nm nicht funktionieren kann. Damit wurde der Bereich unter 5 nm nie mehr in Betracht gezogen», sagte der Doktorand Sujay Desai. «Durch den Wechsel von Silizium zu MoS2 können wir nunmehr Transistoren mit Gatelängen von 1 nm herstellen und diese wie einen Schalter betreiben.»
Sowohl Silizium als auch MoS2 haben eine kristalline Gitterstruktur, aber im Vergleich zu MoS2 sind die durch Silizium wandernden Elektronen leichter und stossen auf weniger Widerstand. Bei Gatelängen von 5 nm und mehr ist das ein signifikanter Vorteil. Aber unter dieser Länge stellt sich ein quantenmechanisches Phänomen ein, genannt Tunneln, und die Gatebarriere ist dann nicht länger in der Lage, die Elektronen auf ihrem Weg von der Source zum Drain aufzuhalten. Dazu Desai: «Das bedeutet, dass man den Transistor nicht mehr abschalten kann. Die Elektronen sind ausser Kontrolle.»
1-nm-Struktur ist kein leichtes Unterfangen
Da die wandernden Elektronen im MoS2 schwerer sind, lässt sich deren Fluss mit kleineren Gatelängen steuern. MoS2 kann zudem bis auf atomdünne Blätter verkleinert werden, die dann nur noch etwa 0,65 nm dünn sind und eine sehr geringe dielektrische Konstante aufweisen – ein Massstab für das Vermögen eines Materials, Energie in einem elektrischen Feld zu speichern. Neben der Elektronen- masse verbessern diese beiden Eigenschaften die Steuerung des Stroms innerhalb des Transistors, sobald die Gatelänge auf 1 nm reduziert wird.
Sobald man sich auf MoS2 als Halbleitermaterial geeinigt hatte, begannen die Forscher mit dem Aufbau des Gates. Es stellte sich heraus, dass die Fertigung einer 1-nm-Struktur kein leichtes Unterfangen ist.
5-nm-Beschränkung für Transistoren gilt nicht länger
Die herkömmlichen Lithografietechniken sind in diesen Bereichen nicht ausreichend. Deshalb wandten sich die Forscher den Kohlenstoffnanoröhren zu - den hohlen und zylindrischen Röhren, die einen Durchmesser von bis zu 1 nm aufweisen. Bei anschliessenden Messungen am MoS2-Transistor mit seinem Gate aus Kohlenstoffnanoröhren stellte sich heraus, dass der Elektronenfluss tatsächlich gesteuert werden konnte.
Professor Javey: «Unsere Arbeit demonstrierte den derzeit kürzesten Transistor. Es ist jedoch erst einmal ein Nachweis der Machbarkeit. Wir haben diese Transistoren noch nicht auf einen Chip gepackt und wir haben dies noch nicht Milliarden Mal getan. Wir haben auch noch nicht selbstabgleichende Fabrikationsverfahren für die Senkung der parasitären Widerstände in dem Bauelement entwickelt.»
«Aber diese Forschungsarbeit zeigt, dass wir nicht länger auf ein 5-nm-Gate für unsere Transistoren beschränkt sind. Durch eine richtige Handhabung des Halbleitermaterials und der Bauelementearchitektur kann das berühmte Moore´s Law noch eine Weile weiterleben, davon bin ich überzeugt.»
Infoservice
Lawrence Berkeley National Laboratory
Berkeley CA, USA, www.lbl.gov