Innovative Transistoren für Quanten-Chips
Eine neue Transistortechnologie kommt ohne Dotierung von Halbleitern aus – mit entscheidenden Vorteilen für das Steuern und Auslesen von Quanten-Chips.
Je kleiner elektronische Bauteile werden, umso komplexer wird deren Herstellung. Seit Jahren ist das ein großes Problem der Chip-Industrie. An der TU Wien gelang es nun erstmals, einen Silizium-Germanium-Transistor mit einem alternativen Ansatz herzustellen, der in Zukunft nicht nur kleinere Dimensionen ermöglicht, sondern dabei auch noch schneller ist, weniger Energie braucht, und bei extrem niedrigen Temperaturen funktioniert, was für Quanten-Chips wichtig ist. Der entscheidende Trick liegt in der Oxidschicht, die den Halbleiter isoliert: Sie wird dotiert und erzeugt eine Wirkung mit langer Reichweite, die in den Halbleiter hineinreicht. Die Technik wurde von TU Wien, JKU Linz und Bergakademie Freiberg entwickelt.
Bisherige elektronische Bauteile beruhen auf dotierten Halbleitermaterialien. „Bei Bauteilen im Nanometerbereich stößt man mit dieser Methode jedoch zunehmend an Grenzen“, erklärt Andreas Fuchsberger, Erstautor der neuen Studie vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Je kleiner der Transistor, desto stärker wirken sich zufällige Schwankungen bei der Dotierung aus. Da Mikroelektronik auf der Verschaltung vieler Millionen bis Milliarden Transistoren basiert, führt das zu immer größeren Herausforderungen.“
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Auch Temperaturempfindlichkeit wird dann zum Problem: Zu heiß dürfen elektronische Bauteile ohnehin nicht werden, aber auch allzu kalte Temperaturen sind schlecht, weil sich dann die Ladungsträger nicht mehr gut genug bewegen können. Das ist etwa bei Quantencomputer-Anwendungen kritisch: Dort müssen Quanten-Bits, die oft fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt werden müssen, mit klassischen elektronischen Transistoren kombiniert werden um diese zu steuern und auszulesen, die dann ebenfalls sehr kalt werden.
„Unsere Lösung für diese Probleme ist eine neue Form der Dotierung – die Modulations-Akzeptor-Dotierung (MAD). Dabei werden die Eigenschaften des Halbleiters durch Fernkopplung eingestellt“, sagt Walter Weber. Anstatt die Halbleiterkristalle selbst zu dotieren, wird die Oxidschicht dotiert, die das Halbleitermaterial isoliert. „Dadurch kann man erreichen, dass die Oxidschicht die Leitfähigkeit des Halbleiters verbessert, ohne dass man im Kristall selbst Fremdatome einbauen muss“, erklärt Weber. Ähnlich wie ein Magnet durch andere Materialien hindurch wirken kann, kann auch eine Veränderung der Oxidschicht seine Wirkung im Halbleitermaterial aus der Ferne entfalten, auch wenn dieses Material selbst nicht dotiert wird.
Experimente mit der MAD gab es zwar bereits in III-V-Verbindungshalbleitern und in Silizium, doch die österreichisch-deutsche Forschungsgruppe ist die erste, der es gelang, diesen Effekt auf dem wichtigen Halbleiter Silizium-Germanium nachzuweisen und darüber hinaus auf diese Weise einen funktionsfähigen SiGe-Transistor herzustellen.
Das ist industrierelevant, da man bestrebt ist den Ge-Anteil in Transistoren stetig zu erhöhen, um schnellere Schaltzeiten und einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen. In Quanten-Chips könnten darüber hinaus Quanteninformationen schneller und mit niedrigeren Energieverlusten verarbeitet werden. Die Messergebnisse sind äußerst vielversprechend: „Wir konnten zeigen, dass die MAD-Technologie eine über 4000-fach erhöhte Leitfähigkeit, ein verbessertes Einschaltverhalten und einen geringeren Energieverbrauch aufweist, sagt Masiar Sistani. „Das kann den Weg für eine neue Generation vielfältig einsetzbarer Nanotransistoren ebnen.“
Besonders interessant ist die neue Technologie auch für Quanten-Chips: „Die Relevanz von Quantentechnologien nimmt immer mehr zu. Diese brauchen jedoch nach wie vor klassische Elektronik, etwa um die Quantensysteme zu steuern oder auszulesen. Das bedeutet, dass herkömmliche Transistoren in ganz enger räumlicher Nähe zu ultrakalten Quanten-Bauteilen arbeiten müssen“, sagt Dr. Sistani. „Dort versagt die herkömmliche Dotierungs-Technologie häufig – man spricht dann vom „Ausfrieren“ der Ladungsträger. Unsere Technologie umgeht diese Probleme. Die Dotierung der Oxidschicht bleibt auch bei extrem tiefen Temperaturen wirksam.“ [TU Wien / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
A. Fuchsberger et al., Modulation-Acceptor-Doped SiGe Schottky Barrier Field-Effect Transistors, IEEE Electron Device Lett. 46(8), 1429–1432, 6. Juni 2025; DOI: 10.1109/LED.2025.3577243 - AG Nanoelektronische Bauelemente, Institut für Festkörperelektronik (Walter Weber), Fakultät ETIT, Technische Universität Wien
Anbieter
Technische Universität WienKarlsplatz 13
1040 Wien
Österreich
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