Neue Technik ermöglicht 2D-Transistoren für ultra-kompakte Mikrochips

Atomar dünne Materialien sind eine vielversprechende Alternative zu siliziumbasierten Transistoren; nun können Forscher sie effizienter mit anderen Chip-Elementen verbinden.

Moores Gesetz, die berühmte Vorhersage, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf einen Mikrochip gepackt werden können, alle paar Jahre verdoppelt, stößt an grundlegende physikalische Grenzen. Diese Grenzen könnten jahrzehntelangen Fortschritt zum Stillstand bringen – es sei denn, neue Ansätze werden gefunden.

Eine neue Richtung, die erforscht wird, ist die Verwendung atomar dünner Materialien anstelle von Silizium als Basis für neue Transistoren. Doch das Verbinden dieser „2D“-Materialien mit anderen konventionellen elektronischen Komponenten erwies sich als schwierig.

Jetzt haben Forscher am MIT, der University of California in Berkeley, der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company und anderswo einen neuen Weg gefunden, diese elektrischen Verbindungen herzustellen, der das Potenzial von 2D-Materialien freisetzen und die Miniaturisierung von Bauteilen vorantreiben könnte – möglicherweise genug, um Moores Gesetz zumindest für die nahe Zukunft zu verlängern, so die Forscher.

„Wir haben eines der größten Probleme bei der Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen gelöst: den Kontaktwiderstand zwischen einer Metallelektrode und einem Monolagen-Halbleitermaterial“, sagte Dr. Cong Su, der nun an der UC Berkeley ist. Die Lösung erwies sich als einfach: die Verwendung eines Halbmetalls, des Elements Bismut, anstelle gewöhnlicher Metalle zur Verbindung mit dem Monolagenmaterial.

Solche ultradünnen Monolagenmaterialien, in diesem Fall Molybdändisulfid, gelten als Hauptkandidat für einen Weg um die Miniaturisierungsgrenzen, die derzeit bei siliziumbasierter Transistortechnologie auftreten. Laut Su war die Schaffung einer effizienten, hochleitfähigen Grenzfläche zwischen solchen Materialien und Metallleitern, um sie miteinander und mit anderen Geräten und Stromquellen zu verbinden, eine Herausforderung, die den Fortschritt hin zu solchen Lösungen behinderte.

Die Grenzfläche zwischen Metallen und Halbleitermaterialien (einschließlich dieser Monolagen-Halbleiter) erzeugt ein Phänomen namens metallinduzierte Lückenzustände, was zur Bildung einer Schottky-Barriere führt, einem Phänomen, das den Fluss von Ladungsträgern hemmt. Die Verwendung eines Halbmetalls, dessen elektronische Eigenschaften zwischen denen von Metallen und Halbleitern liegen, kombiniert mit einer geeigneten Energieausrichtung zwischen den beiden Materialien, beseitigte das Problem.

Dr. Yuxuan Lin erklärte, dass das schnelle Tempo der Miniaturisierung der Transistoren, aus denen Computerprozessoren und Speicherchips bestehen, bereits einmal ins Stocken geriet, um das Jahr 2000, bis eine neue Entwicklung, die eine dreidimensionale Architektur von Halbleiterbauelementen auf einem Chip ermöglichte, den Flaschenhals 2007 brach und rascher Fortschritt wieder einsetzte. Aber jetzt, so sagt er, „glauben wir, dass wir an einem weiteren Engpass stehen.“

Sogenannte zweidimensionale Materialien, dünne Schichten von nur einem oder wenigen Atomen Dicke, erfüllen alle Anforderungen für einen weiteren Sprung in der Miniaturisierung von Transistoren, was einen Schlüsselparameter, die Kanallänge, potenziell um das Mehrfache reduzieren könnte – von derzeit etwa 5 bis 10 Nanometern in modernsten Chips auf eine sub-nanometer Skala. Eine Vielzahl solcher Materialien wird breit erforscht, einschließlich einer Familie von Verbindungen, die als Übergangsmetall-Dichalkogenide bekannt sind. Das in den neuen Experimenten verwendete Molybdändisulfid gehört zu dieser Familie. Das Problem, einen niedrigwiderständigen Metallkontakt mit solchen Materialien zu erzielen, hat auch die Grundlagenforschung zur Physik dieser neuartigen Monolagenmaterialien behindert. Da bestehende Verbindungsmethoden so hohen Widerstand haben, sind die winzigen Signale, die benötigt werden, um das Verhalten von Elektronen im Material zu überwachen, zu schwach, um durchzukommen.

Herauszufinden, wie man solche Systeme auf kommerziellem Niveau skalieren und integrieren kann, könnte einige Zeit in Anspruch nehmen und weitere Ingenieursarbeit erfordern. Für solche Physikanwendungen sagen die Forscher, könnte die Wirkung der neuen Erkenntnisse schnell spürbar sein.

Inzwischen forschen die Forscher weiter, verkleinern ihre Geräte weiter und suchen nach anderen Materialpaarungen, die einen besseren elektrischen Kontakt zum anderen Ladungsträgertyp – Löchern – ermöglichen könnten. Sie lösten das Problem für den sogenannten N-Typ-Transistor, aber wenn sie eine Kombination aus Kanal- und elektrischem Kontaktmaterial finden, die auch einen effizienten Monolagen-P-Typ-Transistor ermöglicht, würde das viele neue Möglichkeiten für Chips der nächsten Generation eröffnen, so die Forscher.