TU Wien entwickelt intelligenten Transistor

Revolutionäre neue elektronische Bauelemente können je nach Bedarf ganz unterschiedliche Aufgaben erfüllen: Eine Technik wie geschaffen für künstliche Intelligenz.

Normalerweise bestehen Computerchips aus elektronischen Bauelementen, die immer dasselbe tun. In Zukunft wird allerdings mehr Flexibilität möglich sein: Neuartige adaptive Transistoren können sich blitzschnell umschalten lassen, sodass sie ganz nach Bedarf unterschiedliche logische Aufgaben übernehmen. Das ändert die Möglichkeiten des Chip-Designs ganz grundlegend und eröffnet völlig neue Chancen im Bereich von künstlicher Intelligenz, neuronalen Netzen oder sogar Logik, die mit mehr Werten arbeitet als bloß mit 0 und 1.

Um das zu erreichen, setzte man an der TU Wien nicht auf die übliche Siliziumtechnologie, sondern auf Germanium und hatte damit Erfolg: Der flexibelste Transistor der Welt wurde nun auf Germanium-Basis hergestellt und im Fachjournal „ACS Nano“ präsentiert. Durch die besonderen Eigenschaften von Germanium und den Einsatz dezidierter Programm-Elektroden wurde ein Prototyp für ein neues Bauelement möglich, das eine neue Ära der Chip-Technologie einleiten soll.

Eine zusätzliche Steuer-Elektrode ändert alles

Der Transistor ist die Grundlage jedes modernen elektronischen Gerätes: Es handelt sich um ein winzig kleines Bauelement, das entweder Strom fließen lässt oder den Stromfluss blockiert – abhängig davon, ob an einer Steuerelektrode eine elektrische Spannung angelegt wird oder nicht. Dadurch kann man simple logische Schaltungen aber auch Speicher aufbauen.

Wie die elektrische Ladung im Transistor transportiert wird, hängt vom verwendeten Material ab: Entweder befinden sich dort frei bewegliche Elektronen, die negative Ladung tragen, oder es kann an einzelnen Atomen ein Elektron fehlen, sodass diese Stelle positiv geladen ist. Man spricht dann von „Löchern“ – auch sie können durch das Material bewegt werden.

Im neuartigen Transistor der TU Wien werden gleichzeitig sowohl Elektronen als auch Löcher auf ganz spezielle Weise manipuliert: „Wir verbinden zwei Elektroden mit einem extrem dünnen Draht aus Germanium, der auf beiden Seiten auf spezielle, extrem saubere Weise mit Metall verbunden ist. Über diesem Germaniumsegment platzieren wir eine Gate-Elektrode, wie sie auch in herkömmlichen Transistoren vorkommt. Entscheidend ist, dass unser Transistor zusätzlich noch über eine weitere Steuerelektrode verfügt, die auf den Grenzflächen zwischen Germanium und Metall platziert ist. Sie kann die Funktion des Transistors dynamisch programmieren“, erklärt Dr. Masiar Sistani, der als Postdoc im Team von Prof. Walter Weber am Institut für Festkörperelektronik der TU Wien forscht.

Durch diese Konstruktion wird es möglich, Elektronen und Löcher getrennt voneinander zu kontrollieren. „Dass wir Germanium verwenden, ist ein entscheidender Vorteil“, sagt Masiar Sistani. „Germanium hat nämlich eine ganz besondere elektronische Struktur: Wenn man Spannung anlegt, steigt zunächst der Stromfluss an, so wie man das erwarten würde. Ab einer gewissen Schwelle sinkt der Stromfluss aber wieder – man spricht dann von einem negativ differentiellen Widerstand. Bei welcher Spannung diese Schwelle liegt, können wir mit Hilfe der Steuerelektrode modulieren – so ergeben sich verschiedene Freiheitsgrade, die wir nutzen können, um dem Transistor genau die Eigenschaften zu verleihen, die wir gerade brauchen.“

Auf diese Weise kann zum Beispiel ein NAND-Gatter (eine logische nicht-und-Verknüpfung) in ein NOR-Gatter (eine logische weder-noch-Verknüpfung) umgeschaltet werden. „Bisher kam die Intelligenz der Elektronik einfach durch die Verschaltung von Transistoren zustande, von denen jeder einzelne bloß eine recht primitive Funktionalität hatte. In Zukunft kann diese Intelligenz auf die Adaptierbarkeit der neuen Transistoren übertragen werden“, sagt Prof. Walter Weber. „Arithmetische Rechenoperationen, für die man bisher 160 Transistoren benötigt hat, sind durch diese gesteigerte Adaptabilität mit 24 Transistoren möglich. So können auch die Schnelligkeit und die Energieeffizienz der Schaltungen deutlich gesteigert werden.“

Die Forschungsgruppe von Prof. Weber arbeitet erst seit rund zwei Jahren an der TU Wien. Prof. Walter Weber hat sich mit seiner Arbeit an neuartiger, rekonfigurierbarer Elektronik international einen Namen gemacht. Dr. Masiar Sistani ist Experte auf dem Gebiet der Germanium-Elektronik und hat sich auf die Erforschung von elektronischen Transportphänomenen spezialisiert. Diese beiden Spezialgebiete fügten sich nun optimal zusammen und ermöglichten den adaptiven Germanium-Transistor. „Einige Details gilt es noch zu optimieren, aber mit unserem ersten programmierbaren Germanium-Transistor ist uns der Beweis gelungen, dass die Grundidee tatsächlich funktioniert. Das ist für uns ein entscheidender Durchbruch“, sagt Masiar Sistani.

Künstliche Intelligenz

Besonders interessant sind diese neuen Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der künstlichen Intelligenz: „Unsere menschliche Intelligenz beruht darauf, dass wir Verschaltungen zwischen Nervenzellen dynamisch verändern. Mit neuen adaptiven Transistoren kann man nun auch Verschaltungen direkt auf dem Chip gezielt verändern“, sagt Walter Weber. Auch mehrwertige Logik kann auf diese Weise umgesetzt werden – also Schaltungen, die nicht nur mit 0 und 1 arbeiten, sondern mit einer größeren Zahl möglicher Zustände.

Ein rascher industrieller Einsatz dieser neuen Technologie ist realistisch: Die verwendeten Materialien werden schon heute in der Halbleiterindustrie eingesetzt, es sind auch keine völlig neuen Herstellungsverfahren nötig. In mancherlei Hinsicht wäre die Technologie sogar einfacher als bisher: Heute werden Halbleitermaterialien dotiert, also mit einzelnen Fremdatomen angereichert. Das ist beim Germanium-basierten Transistor nicht nötig, man kann reines Germanium verwenden.
„Wir wollen mit unserem neuen Transistor nicht die bisherige Transistortechnologie völlig ersetzen, das wäre vermessen“, sagt Masiar Sistani. „Die neue Technik wird in Zukunft wohl eher als Zusatz in Computerchips eingebaut werden. Für bestimmte Anwendungen wird es einfach energieeffizienter sein, auf adaptive Transistoren zu setzen.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Masiar Sistani
Institut für Festkörperelektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36213
masiar.sistani@tuwien.ac.at

Univ.Prof. Dr.-Ing. Walter M. Weber
Institut für Festkörperelektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36240
walter.weber@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

M. Sistani et al., Nanometer-Scale Ge-Based Adaptable Transistors Providing Programmable Negative Differential Resistance Enabling Multivalued Logic, ACS Nano 2021, 15, 11 (2021). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06801

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