Stabilere ultradünne Transistoren

… für die Computerchips von morgen.

Der Miniaturisierungstrend macht auch vor Transistoren nicht Halt. Da Halbleiter und Isolator nur im Team funktionieren, müssen Anpassungen in beiden Komponenten erfolgen.

Transistoren sind ein fester Bestandteil moderner Unterhaltungselektronik. Sie sind in Smartphones, Tablets und Computern verbaut – Geräte, die immer kleiner und leistungsfähiger werden. In der Materialwissenschaft finden 2D-Materialien wie Graphen daher zunehmend Aufmerksamkeit. Denn auch Halbleiter, wie sie in Transistoren verbaut sind, lassen sich so besser skalieren.

Wie dies gelingt, konnte nun Theresia Knobloch im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der TU Wien in Zusammenarbeit mit Kolleg_innen zeigen. Dabei werden die Transistoren nicht nur schlanker, auch Stabilität und Lebensdauer verbessern sich. Das Team aus Forscherinnen und Forschern der TU Wien, der RWTH Aachen, der bergischen Universität Wuppertal und der Aachener AMO GmbH veröffentlichte die Forschungsergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Electronics“.

Das Problem mit den Transistoren

In vielen Transistoren wird Silizium als Halbleiter verwendet. Allerdings stößt die Wissenschaft hier zunehmend an die natürlichen Grenzen des Materials: Die Siliziumschichtdicke lässt sich nämlich nur bedingt auf wenige Atomlagen reduzieren. Theresia Knobloch und Kolleg_innen greifen daher auf das 2D-Material Graphen zurück, das gemeinsam mit Aluminiumoxid als Isolator für Transistoren verwendet wird. „Wir haben uns dazu entschlossen, Aluminiumoxid zu verwenden, da sich dessen Einsatz in der Halbleiterindustrie bereits etabliert hat“, sagt Theresia Knobloch. „Daher konnten wir mit unserer Methode zeigen, wie sich die gängige Praxis verbessern lässt – und das, ohne neue Materialien zu nutzen“. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Grenzfläche, an der Isolator und Halbleiter aufeinandertreffen.

Längere Haltbarkeit, weniger Energieverbrauch

Was die Lebensdauer von Isolatoren verkürzt, sind Elektronen, die an Fehlstellen (Defekten) eingefangen werden. Durch solche Ladungseinfänge verschieben sich die Kenngrößen so, dass der Transistor nicht mehr funktioniert. Das Forschungsteam um Tibor Grasser, Leiter des Projekts und Vorstand des Instituts für Mikroelektronik der TU Wien, reagiert auf dieses Problem, indem es die Ausrichtung der Bänder verändert: „Indem wir die Bandkanten im Halbleiter bei gleichbleibenden Defektbändern im Isolator anders ausrichten, wird der gesamte Transistor elektrisch stabiler und langlebiger, da die Energiebarriere für den Ladungseinfang größer wird.“

Die verbesserten Transistoren führen aber nicht nur zu einer besseren Stabilität, auch ließe sich der Energieverbrauch elektrischer Geräte reduzieren, da bereits kleinere Spannungen ausreichen, um den Transistor zu schalten. Zuletzt macht die Miniaturisierung es möglich, auf gleicher Fläche mehr Transistoren unterzubringen, wodurch die Rechenleistung erhöht wird, und so schnellere und komplexere Rechnungen ermöglicht werden.

Theorie und Experiment

Möchte man nun die Bänder verschieben, ist dies auf zwei Arten möglich. Einerseits können die Materialien bereits bei der Herstellung mit fremden Atomen angereichert werden (Dotierung). Andererseits ist es möglich, die Bänder während des Betriebs durch Anlegen einer Spannung zu verschieben. Diesen Weg wählten die Wissenschaftler_innen, um zu beweisen, dass ihre Theorie korrekt und die Ausrichtung der Bänder für die Instabilität verantwortlich ist. Die Bauteile selbst wurden wiederum an der RWTH Aachen hergestellt, mit der die TU Wien in diesem Projekt eng zusammenarbeitete.

„Das entscheidende ist das Wissen, das wir durch Modellierung und Experimente gewonnen haben. Denn indem wir verstehen, wie das System an Stabilität verliert und degradiert, können wir gezielt in den Prozess eingreifen“, erklärt Theresia Knobloch. „Dies geschieht, ohne den eigentlichen Isolator zu verändern. Denn indem wir die Energie der Leitungselektronen verändern, stören uns die Defekte nicht mehr so stark“, ergänzt Tibor Grasser.

Wann es nun so weit ist, dass ultradünne Transistoren das Labor verlassen und in Smartphones und Co. verbaut werden? Theresia Knobloch hält einen Zeitraum von zehn bis 15 Jahren für realistisch.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Theresia Knobloch
Institut für Mikroelektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36059
theresia.knobloch@tuwien.ac.at

Prof. Dr. Tibor Grasser
Institut für Mikroelektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36000
tibor.grasser@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

Knobloch et. al, Improving stability in two-dimensional transistors with amorphous gate oxides by Fermi-level tuning, Nature Electronics (2022), DOI: 10.1038/s41928-022-00768-0: https://www.nature.com/articles/s41928-022-00768-0

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