Lieber Löcher oder Elektronen?

Wissenschaftler des Nanoelectronic Materials Laboratory (NaMLab gGmbH) und des Exzellenzclusters Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der Technischen Universität Dresden haben den weltweit ersten Transistor aus Germanium realisiert, der sich elektrisch zwischen Elektronen- und Löcher­leitung umprogrammieren lässt. Aufgrund der geringeren Bandlücke gegenüber Silizium lassen sich Transistoren aus Germanium mit niedriger Einsatz­spannung betreiben. Daher ermöglichen die Transistoren aus Germanium einen wesentlich energie­sparenderen Betrieb als vergleichbare Transistoren aus Silizium.

Zudem ist der realisierte Transistor aus Germanium abhängig von den angelegten Spannungen sowohl mit Elektronen- als auch mit Löcher­leitung einsetzbar. Damit lassen sich elektronische Schaltungen bei gleicher Funktionalität mit einer geringeren Anzahl an Transistoren im Vergleich zu der derzeitig angewandten CMOS-Technologie realisieren.

Die heutige digitale Elektronik besteht zum über­wiegenden Teil aus integrierten Schaltungen. Seit mehr als vierzig Jahren werden die in den Schaltungen enthaltenen Transistoren schrittweise verkleinert, um die Rechen­leistung und Schalt­geschwindigkeit zu erhöhen. Der aktuelle Trend geht dabei dahin, in den gängigen Transistoren Materialien mit höherer Ladungsträger­beweglichkeit als Silizium, wie eben Germanium oder auch Indium-Arsenid, einzusetzen. Einem Einsatz in der Praxis steht aber derzeit unter anderem ein signifikant erhöhter Leckstrom und die damit verbundene höhere statische Verlust­leistung im Aus­zustand entgegen, die aus den geringen Band­abständen der Materialien resultiert.

Dem Wissenschaftler-Team um Jens Trommer und Walter Weber von der NaMLab gGmbH ist es jetzt in Kooperation mit dem cfaed gelungen, Transistoren aus Germanium-Nano­drähten zu entwickeln, die durch ein spezielles Design mit mehreren unabhängigen Elektroden die störenden Leck­ströme entlang des Kanals unterdrücken. Weber, der beim cfaed die Nanodrähte-Forschungs­gruppe leitet, erklärt: „Die erreichten Ergebnisse demonstrieren erstmalig gleichzeitig niedrige Einsatz­spannungen und geringe Leck­ströme, sowie den damit einhergehenden reduzierten Energie­verbrauch, welcher eine Anwendung des neuen Transistors in energie­effizienten Schaltungen ermöglicht.“

Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungs­gemeinschaft im Rahmen des Projektes ReproNano gefördert und sind in Zusammen­arbeit mit dem Exzellenz­cluster „Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed)“ durchgeführt worden. Die NaMLab gGmbH wird eine mögliche Umsetzung in zukünftige Produkte sowie weiteren Forschungs- und Entwicklungs­aktivitäten in diesem Bereich mit ihren Industrie­partnern anstreben.

TU Dresden / DE