Revolution der Miniaturisierung: InGaOx-Transistoren versprechen Durchbruch-Performance

Electronics & Sensors INSIDER

Da Elektronik kleiner wird, wird es zunehmend schwieriger, siliziumbasierte Transistoren weiter zu verkleinern. Ein Forschungsteam unter Leitung des Institute of Industrial Science der University of Tokyo hat nun eine Lösung gesucht. Sie verzichteten auf Silizium und schufen stattdessen einen Transistor aus gallium-dotiertem Indiumoxid (InGaOx). Dieses Material kann als kristallines Oxid strukturiert werden, dessen geordnetes Kristallgitter hervorragend für Elektronenbeweglichkeit geeignet ist.

„Wir wollten auch, dass unser kristalliner Oxidtransistor eine ‚Gate-all-around‘-Struktur aufweist, bei der das Gate, das den Strom ein- oder ausschaltet, den Kanal umgibt, in dem der Strom fließt“, erklärt Anlan Chen, Lead-Autor der Studie. „Indem wir den Kanal vollständig mit dem Gate umschließen, können wir Effizienz und Skalierbarkeit im Vergleich zu traditionellen Gates verbessern.“

Die Forscher wussten, dass sie Verunreinigungen in das Indiumoxid durch Dotieren mit Gallium einführen mussten. Dies würde das Material dazu bringen, auf Elektrizität günstiger zu reagieren. „Indiumoxid enthält Sauerstoff-Vakanz-Defekte, die Carrier-Streuung begünstigen und damit die Gerätestabilität senken“, sagt Masaharu Kobayashi, Senior-Autor. „Wir dotierten Indiumoxid mit Gallium, um Sauerstoff-Vakanzen zu unterdrücken und so die Transistorzuverlässigkeit zu verbessern.“

Atomlagenabscheidung für Gate-all-around MOSFET

Das Team nutzte Atomlagenabscheidung (ALD), um den Kanalsbereich eines Gate-all-around-Transistors mit einem dünnen InGaOx-Film zu beschichten – eine atomare Lage nach der anderen. Nach der Abscheidung wurde der Film erhitzt, um ihn in die für Elektronenbeweglichkeit benötigte kristalline Struktur zu transformieren. Dieser Prozess ermöglichte letztlich die Fertigung eines Gate-all-around Metal-Oxide-basierten Field-Effect-Transistors (MOSFET).

„Unser Gate-all-around MOSFET mit Gallium-dotiertem Indiumoxid-Layer erreicht eine hohe Beweglichkeit von 44,5 cm²/Vs“, sagt Dr. Chen. „Entscheidend ist, dass das Gerät vielversprechende Zuverlässigkeit zeigte, indem es unter angewendeter Belastung fast drei Stunden stabil operierte. Tatsächlich übertraf unser MOSFET ähnliche zuvor berichtete Geräte.“

Die Bemühungen des Teams lieferten ein neues Transistordesign, das die Wichtigkeit sowohl von Materialien als auch Struktur berücksichtigt. Die Forschung ist ein Schritt hin zur Entwicklung zuverlässiger, hochdichter elektronischer Komponenten, geeignet für Anwendungen mit hohem Rechenbedarf wie Big Data und Künstliche Intelligenz. Diese winzigen Transistoren versprechen, Next-Gen-Technologie reibungslos laufen zu lassen und einen großen Unterschied in unserem Alltag zu machen.

Quelle: University of Tokyo