Ein intelligenter Transistor

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 bislang flexibelste Transistor der Welt wurde nun auf Germanium-Basis hergestellt. 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.

Wie 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 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“, erläutert Masiar Sistani von der TU Wien. „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.“

Durch diese Konstruktion wird es möglich, Elektronen und Löcher getrennt voneinander zu kontrol­lieren. „Dass wir Germanium verwenden, ist ein entscheidender Vorteil“, sagt Sistani. „Germanium hat nämlich eine ganz besondere elektro­nische Struktur: Wenn man Spannung anlegt, steigt zunächst der Stromfluss an, so wie man es 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 lässt sich zum Beispiel ein NAND-Gatter in ein NOR-Gatter umschalten. „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 Walter Weber von der TU Wien. „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.“

„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 Sistani. Besonders interessant sind die 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 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 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.“

TU Wien / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Sistani et al.: Nanometer-Scale Ge-Based Adaptable Transistors Providing Programmable Negative Differential Resistance Enabling Multivalued Logic, ACS Nano 15, 18135 (2021); DOI: 10.1021/acsnano.1c06801
• Institut für Festkörperelektronik, Technische Universität Wien, Österreich