Siliziumtransistoren, die zum Verstärken und 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 behindert, die verhindert, dass Transistoren unterhalb einer bestimmten Spannung arbeiten.
Diese als „Boltzmann-Tyrannei“ bekannte Grenze 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 Grenze von Silizium zu überwinden, stellten MIT-Forscher einen anderen Typ eines dreidimensionalen Transistors unter Verwendung eines einzigartigen Satzes ultradünner Halbleitermaterialien her.
Ihre Geräte mit vertikalen Nanodrähten von nur wenigen Nanometern Breite können eine Leistung liefern, die mit modernen Siliziumtransistoren vergleichbar ist, und arbeiten gleichzeitig effizient bei viel niedrigeren Spannungen als herkömmliche Geräte.
„Dies ist eine Technologie mit dem Potenzial, Silizium zu ersetzen, sodass man sie mit allen Funktionen nutzen könnte, die Silizium derzeit hat, aber mit viel besserer Energieeffizienz“, sagt Yanjie Shao, Postdoktorand am MIT und Hauptautor eines Artikels über das Neue Transistoren.
Die Transistoren nutzen quantenmechanische Eigenschaften, um gleichzeitig einen Niederspannungsbetrieb und eine hohe Leistung auf einer Fläche von nur wenigen Quadratnanometern zu erreichen. Ihre extrem geringe Größe würde es ermöglichen, mehr dieser 3D-Transistoren auf einen Computerchip zu packen, was zu schneller, leistungsstarker Elektronik führen würde, die auch energieeffizienter ist.
„Mit der konventionellen Physik gibt es nur begrenzte Möglichkeiten. Die Arbeit von Yanjie zeigt, dass wir es besser können, aber wir müssen eine andere Physik verwenden. Es müssen noch viele Herausforderungen bewältigt werden, 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 Ingenieurwissenschaften an der MIT-Abteilung für Elektrotechnik und Informatik (EWGS).
Ju Li, Professor für Nukleartechnik bei der Tokyo Electrical Energy Firm und Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am MIT, gesellt sich zu dem Beitrag; EECS-Doktorand Hao Tang; MIT-Postdoc Baoming Wang; und die Professoren Marco Pala und David Esseni von der Universität Udine in Italien. Die Forschung erscheint heute in Naturelektronik.
Übertrifft Silizium
In elektronischen Geräten fungieren Siliziumtransistoren häufig als Schalter. Durch 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 binäre Ziffern dar, um Berechnungen durchzuführen.
Die Schaltflanke eines Transistors spiegelt die Schärfe des Übergangs von „Aus“ zu „Ein“ wider. Je steiler die Steigung, desto weniger Spannung wird zum Einschalten des Transistors benötigt und desto höher ist seine Energieeffizienz.
Aufgrund der Artwork 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 physikalischen Grenzen von Silizium zu überwinden, verwendeten die MIT-Forscher eine andere Gruppe von Halbleitermaterialien – Galliumantimonid und Indiumarsenid – und entwickelten ihre Geräte so, dass sie ein einzigartiges Phänomen der Quantenmechanik namens Quantentunneln nutzen.
Beim Quantentunneln handelt es sich um die Fähigkeit von Elektronen, Barrieren zu durchdringen. Die Forscher stellten Tunneltransistoren her, die diese Eigenschaft nutzen, um Elektronen dazu zu bewegen, die Energiebarriere zu durchbrechen, anstatt sie zu überwinden.
„Jetzt können Sie das Gerät ganz einfach ein- und ausschalten“, sagt Shao.
Obwohl Tunneltransistoren scharfe Schaltflanken ermöglichen können, arbeiten sie normalerweise mit niedrigem Strom, was die Leistung eines elektronischen Geräts beeinträchtigt. Um leistungsstarke Transistorschalter für anspruchsvolle Anwendungen zu entwickeln, ist ein höherer Strom erforderlich.
Feinkörnige Verarbeitung
Mit den Werkzeugen von MIT.nano, der hochmodernen Einrichtung des MIT für Nanoforschung, konnten die Ingenieure die 3D-Geometrie ihrer Transistoren sorgfältig steuern und so vertikale Nanodraht-Heterostrukturen mit einem Durchmesser von nur 6 Nanometern erzeugen. Sie glauben, dass dies die kleinsten 3D-Transistoren sind, über die bisher berichtet wurde.
Diese präzise Technik ermöglichte es ihnen, gleichzeitig einen steilen Schaltanstieg und einen hohen Strom zu erreichen. Dies ist aufgrund eines Phänomens namens Quantenbeschränkung möglich.
Quanteneinschluss tritt auf, wenn ein Elektron in einem Raum eingeschlossen 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 Supplies, was ein stärkeres Tunneln des Elektrons durch eine Barriere ermöglicht.
Da die Transistoren so klein sind, können die Forscher einen sehr starken Quanteneinschlusseffekt erzeugen und gleichzeitig eine extrem dünne Barriere herstellen.
„Wir haben viel Flexibilität beim Design dieser Materialheterostrukturen, sodass wir eine sehr dünne Tunnelbarriere erreichen können, die es uns ermöglicht, sehr hohe Ströme zu erhalten“, sagt Shao.
Eine große Herausforderung conflict die Herstellung von Geräten, die klein genug waren, um dies zu erreichen.
„Mit dieser Arbeit bewegen wir uns wirklich im Ein-Nanometer-Bereich. Nur sehr wenige Konzerne auf der Welt können gute Transistoren in diesem Bereich herstellen. „Yanjie ist außerordentlich in der Lage, so intestine funktionierende Transistoren herzustellen, die so extrem klein sind“, sagt del Alamo.
Als die Forscher ihre Geräte testeten, lag die Steilheit der Schaltflanke unter der grundsätzlichen Grenze, die mit herkömmlichen Siliziumtransistoren erreicht werden kann. Ihre Geräte schnitten außerdem etwa 20-mal besser ab als vergleichbare Tunneltransistoren.
„Dies ist das erste Mal, dass wir mit diesem Design eine so starke Schaltsteilheit erreichen konnten“, fügt Shao hinzu.
Die Forscher streben nun danach, ihre Herstellungsmethoden zu verbessern, um Transistoren über einen gesamten Chip gleichmäßiger zu machen. Bei so kleinen Geräten kann bereits eine Abweichung von 1 Nanometer das Verhalten der Elektronen verändern und den Gerätebetrieb beeinträchtigen. Sie erforschen neben vertikalen Nanodrahttransistoren auch vertikale rippenförmige Strukturen, die möglicherweise die Einheitlichkeit von Geräten auf einem Chip verbessern könnten.
„Diese Arbeit geht definitiv in die richtige Richtung und verbessert die Leistung des Tunnel-Feldeffekttransistors (TFET) mit unterbrochener Lücke erheblich. Es weist einen steilen Anstieg und einen Rekord-Antriebsstrom auf. Es unterstreicht die Bedeutung kleiner Abmessungen, extremer Beschränkung sowie Materialien und Schnittstellen mit geringer Defektivität im hergestellten TFET mit gebrochener Lücke. „Diese Merkmale wurden durch einen intestine beherrschten und nanometergroßen kontrollierten Prozess realisiert“, sagt Aryan Afzalian, ein leitender technischer Mitarbeiter der Nanoelektronik-Forschungsorganisation imec, der nicht an dieser Arbeit beteiligt conflict.
Diese Forschung wird teilweise von der Intel Company finanziert.