24.07.2019

Kalziumfluorid für schnellere Prozessoren

Neue Isolatoren für Transistoren aus zweidimensionalen Materialien.

Jahrzehnte­lang wurden die Transistoren auf Mikrochips immer kleiner, schneller und billiger. Ungefähr alle zwei Jahre konnte die Anzahl der Transistoren auf handels­üblichen Chips verdoppelt werden. Doch seit einigen Jahren ist damit Schluss. Die Minia­turisierung ist an eine natürliche Grenze gestoßen, weil man auf einer Größenskala von wenigen Nanometern plötzlich mit ganz neuen Problemen zu kämpfen hat. Nun könnte allerdings der nächste große Minia­turisierungs­schritt möglich werden – mit zwei­dimensionalen Materialien, die nur aus einer atomdicken Materialschicht bestehen. Mit Hilfe eines neuartigen Isolators aus Kalziumfluorid gelang es nun an der TU Wien einen ultradünnen Transistor herzustellen, der ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist und im Gegensatz zu bisherigen Tech­nologien wegen seiner geringen Dicke auch extrem stark verkleinert werden kann. 

Abb.: Schematische Dar­stellung eines Tran­sistors aus zwei­dimensionalen...
Abb.: Schematische Dar­stellung eines Tran­sistors aus zwei­dimensionalen Materialien. (Bild: TU Wien)

Mittlerweile lassen sich ultra­dünne Halbleiter als 2D-Materialien herstellen, die nur noch aus wenigen Atomlagen bestehen. „Wenn man allerdings einen extrem kleinen Transistor bauen will, genügt das nicht“, erklärt Tibor Grasser vom Institut für Mikro­elektronik der TU Wien. „Zusätzlich zum ultradünnen Halbleiter braucht man auch noch einen ultradünnen Isolator.“ Das liegt am grund­legenden Aufbau eines Transistors: Strom kann von einer Seite des Transistors zur anderen fließen – aber nur, wenn in der Mitte durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ein passendes elek­trisches Feld erzeugt wird. Zwischen der Elektrode, die für dieses Feld sorgt, und dem Halbleiter selbst braucht man eine isolierende Schicht. „Immer wieder gab es Transistor-Experi­mente mit ultra­dünnen Halbleitern, gekoppelt mit gewöhnlichen, dickeren Isolatoren“, sagt Grasser. „Doch das bringt wenig – erstens kann man nicht von einer Miniaturisierung sprechen, wenn der Transistor inklusive Isolator dann doch wieder eine größere Dicke hat, und zweitens zeigte sich, dass die sensiblen elek­tronischen Eigen­schaften des Halbleiters von der minder­wertigen Isolator-Oberfläche gestört werden.“

Daher verfolgte Yury Illarionov, Postdoc im Team von Tibor Grasser, einen neu­artigen Ansatz: Wenn man nicht nur für den Halbleiter, sondern auch für den Isolator ein ultra­dünnes Material mit klar definierter Oberfläche verwendet, also zum Beispiel ionische Kristalle, dann lässt sich ein Transistor mit einer Größe von nur wenigen Nanometern bauen. Die elek­tronischen Eigenschaften werden verbessert, weil ionische Kristalle eine perfekt regelmäßige Oberfläche haben ohne einzelne heraus­ragende Atome, die das elektrische Feld stören könnten. „Konven­tionelle Materialien haben kovalente Bindungen in die dritte Dimension – also Atome, die oben und unten an Atome des Nachbarmaterials koppeln“, erklärt Grasser. „Das ist bei 2D-Materialien und ionischen Kristallen nicht der Fall, deshalb stören sie die elek­trischen Eigen­schaften des Nachbar­materials nicht.“

Man entschied sich für einen Isolator aus einer atomar dünnen Schicht aus Kalzium­fluorid. Die Kalzium­fluorid-Schicht wurde am Joffe-Institut in St. Petersburg hergestellt. Der Transistor selbst wurde dann am Institut für Photonik der TU Wien in der Gruppe von Thomas Müller gefertigt und anschließend am Institut für Mikroelektronik untersucht. Schon der erste Prototyp übertraf alle Erwartungen: „Wir haben in den letzten Jahren immer wieder unter­schiedliche Transistoren bekommen, um ihre technischen Eigen­schaften zu untersuchen – aber so etwas wie unseren Transistor mit Kalzium­fluorid-Isolator haben wir noch nie gesehen“, sagt Grasser. „Der Prototyp stellt mit seinen elek­trischen Eigen­schaften alle bisherigen Ergebnisse in den Schatten.“

Nun soll untersucht werden, welche Kombi­nationen von Isolatoren und Halbleitern am besten funktionieren. Bis die Tech­nologie für handelsübliche Computerchips verwendet werden kann, werden wohl noch einige Jahre vergehen – die Herstellungsv­erfahren für die Material­schichten müssen noch verbessert werden. „Grundsätzlich besteht für uns aber kein Zweifel daran, dass Transistoren aus 2D- Materialien eine hoch­interessante Option für die Zukunft sind“, sagt Grasser. „Aus wissen­schaftlicher Sicht steht fest, dass die nun vorgestellten Fluoride die derzeit beste Lösung für das Isolator­problem sind. Jetzt sind noch einige technische Fragen zu klären.“

TU Wien / JOL

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