Weltkleinster Transistor mit Ein-Nanometer-Gatter

Berkeley (USA) - Bis zu zehn Milliarden Transistoren ballen sich heute auf einem einzigen Chip. Doch die Grenze der Siliziumtechnologie ist absehbar. Bei Strukturen unter fünf Nanometer rechnen die Chipentwickler mit störenden Tunneleffekten, die ein verlässliches Schalten unmöglich machen. Doch mit dem Halbleiter Molybdändisulfid, das heute auch als Schmiermittel verwendet wird, könnten Transistoren noch deutlich weiter schrumpfen. In der Fachzeitschrift „Science“ präsentieren nun kalifornische Wissenschaftler einen Transistor, der mit nur einen Nanometer kleinen Strukturen zuverlässig schalten konnte. Dieser Prototyp ist zwar noch weit von einer Anwendung in Computerchips entfernt, eröffnet der Halbleiterbranche jedoch neue Chancen für leistungsfähigere Prozessoren.

„Wir konnten den kleinsten Transistor bisher herstellen“, sagt Ali Javey vom Lawrance Berkeley National Laboratory. Er enthält ein Gatter, auf englisch gate, von nur einem einzigen Nanometer Länge. Allein durch die Wahl geeigneter Materialien ergebe sich laut Javey viel Spielraum, um elektronische Module weiter zu schrumpfen. Möglich wurde dieser Rekord-Transistor mit Kristallen aus Molybdändisulfid. In dem Halbleitermaterial stießen Elektronen auf einen größeren Widerstand als in Silizium und zeigten dadurch eine größere effektive Masse. Störende Tunneleffekte konnten dadurch vermieden werden.

Für die Fertigung des Transistors deponierten Javey und seine Kollegen ein nur ein Nanometer dickes Nanoröhrchen aus Kohlenstoff auf einer hochreinen Unterlage aus Siliziumoxid. Dieses Röhrchen, eingebettet in einer isolierenden Schicht aus Zirkoniumoxid, übernahm die Rolle des Gatters. Über diese Schicht legten die Wissenschaftler einige flache Kristalle aus Molybdändisulfid und kontaktierten die Enden mit kleinen Elektroden aus Nickel. Diese Kontakte fungierten als Quelle und Senke, auf englisch source und drain.

Der Stromfluss zwischen Quelle und Senke ließ sich nun mit einer kleinen Steuerspannung durch das Nanoröhrchen-Gatter kontrolliert schalten. Dieser Schaltprozess ist die Grundlage eines jeden Transistors. Störende Tunneleffekte, bei denen Elektronen unkontrolliert zwischen Quelle und Senke wandern, traten trotz der extrem kleinen Dimension des Nanoröhrchen-Gatters nicht auf.

Dieser Prototyp könnte viel Aufmerksamkeit bei den Chipherstellern wie Intel, Samsung oder Infineon erregen. Denn er zeigt, dass bei fünf Nanometer kleinen Strukturen die Miniaturisierung von Schaltkreisen noch nicht – wie bisher angenommen – enden muss. Allerdings müsste der etablierte Halbleiter Silizium durch Molybdändisulfid ersetzt werden. Um daraus in Zukunft Chips mit Abermilliarden Transistoren fertigen zu können, wären völlig neue Fertigungstechniken nötig, die an die Stelle von heutigen Lithographieverfahren treten könnten. Da Chips auf Siliziumbasis wahrscheinlich noch bis weit ins kommende Jahrzehnt optimiert werden können, bleibt für die Entwicklung neuer Produktionsverfahren aber noch Zeit.