Stanford-Durchbruch: 100-nm-atomdünne Transistoren treiben flexible Elektronik voran

Ultradünne, flexible Computerschaltungen sind seit Jahren ein Ingenieursziel, doch technische Hürden verhinderten den nötigen Miniaturisierungsgrad für hohe Leistung. Nun haben Forscher der Stanford University ein Fertigungsverfahren entwickelt, das flexible, atomar dünne Transistoren unter 100 Nanometern Länge erzeugt – mehrere Male kleiner als bisher möglich.

Flextronics rückt näher an die Realität

Mit diesem Fortschritt, so die Forscher, rücken sogenannte „Flextronics“ näher an die Realität. Flexible Elektronik verspricht biegbare, formbare und dennoch energieeffiziente Computerschaltungen, die am oder im menschlichen Körper getragen werden können, um vielfältige gesundheitsbezogene Aufgaben zu erfüllen. Auch das kommende „Internet der Dinge“, in dem fast jedes Gerät unseres Lebens vernetzt ist, sollte gleichermaßen von Flextronics profitieren.

Zweidimensionale Halbleiter als Schlüsselmaterial

Unter den geeigneten Materialien für flexible Elektronik haben zweidimensionale (2D) Halbleiter aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften selbst im Nanomaßstab vielversprechende Ergebnisse gezeigt – sie sind bessere Kandidaten als herkömmliches Silizium oder organische Materialien.

Die ingenieurtechnische Herausforderung: Hitze

Die bisherige Hürde: Die Formung dieser nahezu unmöglich dünnen Geräte erfordert einen Prozess, der für flexible Kunststoffsubstrate viel zu hitzeintensiv ist. Diese Materialien würden im Produktionsprozess einfach schmelzen und zerfallen.

Die Lösung: Schichtweiser Aufbau auf starrem Substrat

Die Lösung der Forscher besteht darin, den Prozess in Schritten durchzuführen – beginnend mit einem Basissubstrat, das alles andere als flexibel ist. Sie formten einen atomar dünnen Film des 2D-Halbleiters Molybdändisulfid (MoS₂), überzogen mit fein strukturierten Gold-Elektroden, auf einem festen Siliziumblock, der mit Glas beschichtet war. Da dieser Schritt auf dem konventionellen Siliziumsubstrat erfolgt, können die nanoskaligen Transistordimensionen mit bestehenden fortschrittlichen Strukturierungstechniken erzeugt werden – eine Auflösung, die auf flexiblen Kunststoffsubstraten unmöglich wäre.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei 850 °C

Diese Schichttechnik, bekannt als chemische Gasphasenabscheidung (CVD), lässt einen MoS₂-Film Lage für Lage atomar wachsen. Der resultierende Film ist nur drei Atome dick, erfordert jedoch Temperaturen von 850 °C (über 1500 °F). Zum Vergleich: Das flexible Substrat aus Polyimid, einem dünnen Kunststoff, verliert bereits bei etwa 360 °C (680 °F) seine Form und zersetzt sich bei höheren Temperaturen vollständig.

Transfer auf das flexible Substrat

Indem die kritischen Teile zuerst auf starrem Silizium strukturiert und geformt werden und abkühlen können, können die Stanford-Forscher das flexible Material ohne Beschädigung aufbringen. Ein einfaches Bad in deionisiertem Wasser löst den gesamten Gerätestapel, der nun vollständig auf das flexible Polyimid übertragen wird.

Leistungsstarke flexible Transistoren

Nach einigen zusätzlichen Fertigungsschritten ergeben sich flexible Transistoren, die eine mehrere Male bessere Leistung erzielen als je zuvor mit atomar dünnen Halbleitern produziert. Die Forscher merkten an, dass zwar gesamte Schaltungen gebaut und dann auf das flexible Material übertragen werden könnten, bestimmte Komplikationen bei nachfolgenden Schichten diese zusätzlichen Schritte jedoch nach dem Transfer einfacher machen.

„Am Ende ist die gesamte Struktur nur 5 Mikrometer dick, einschließlich des flexiblen Polyimids“, sagte Professor Eric Pop. „Das ist etwa zehnmal dünner als ein menschliches Haar.“

Hohe Leistung bei niedrigem Stromverbrauch

Während die technische Errungenschaft, nanoskalige Transistoren auf einem flexiblen Material herzustellen, an sich schon bemerkenswert ist, beschrieben die Forscher ihre Geräte auch als „hochleistungsfähig“ – was in diesem Kontext bedeutet, dass sie hohe elektrische Ströme bei niedriger Spannung bewältigen können, wie es für geringen Stromverbrauch erforderlich ist.

„Diese Verkleinerung hat mehrere Vorteile“, sagte Dr. Daus. „Man kann mehr Transistoren auf gegebener Fläche unterbringen, aber auch höhere Ströme bei niedrigerer Spannung erreichen – hohe Geschwindigkeit bei geringerem Stromverbrauch.“

Gleichzeitig leiten die Goldkontakte die von den Transistoren im Betrieb erzeugte Wärme ab und verteilen sie – Wärme, die ansonsten das flexible Polyimid gefährden könnte.

Ausblick: Integration von Funkschaltungen

Mit einem Prototyp und einer Patentanmeldung haben Daus und Pop ihre nächsten Herausforderungen in Angriff genommen: die Verfeinerung der Geräte. Sie haben ähnliche Transistoren mit zwei weiteren atomar dünnen Halbleitern (MoSe₂ und WSe₂) gebaut, um die breite Anwendbarkeit der Technik zu demonstrieren.

Daus arbeitet zudem an der Integration von Funkschaltungen in die Geräte, was zukünftigen Varianten ermöglichen wird, drahtlos mit der Außenwelt zu kommunizieren – ein weiterer großer Schritt hin zur Machbarkeit von Flextronics, insbesondere für Implantate im menschlichen Körper oder tief in andere Geräte integrierte Systeme des Internets der Dinge.

„Das ist mehr als eine vielversprechende Produktionstechnik. Wir haben Flexibilität, Dichte, hohe Leistung und niedrigen Stromverbrauch – alles gleichzeitig erreicht“, sagte Pop. „Diese Arbeit wird die Technologie hoffentlich auf mehreren Ebenen voranbringen.“