Tunnel-FET durchbricht Grenzen

Die Miniaturisierung von herkömmlichen Feldeffekt­transistoren, wie sie in integrierten Schalt­kreisen verwendet werden, stößt an ihre Grenzen. Das liegt vor allem an der relativ großen Leistung, die die immer kleiner werdenden Bauelemente aufnehmen müssen, damit sie zuverlässig funktionieren. Jetzt haben Forscher in den USA einen Tunnel-FET entwickelt, der diese Leistungs­grenze durchbricht.

Die Wissenschaftler um Deblina Sarkar und Kaustav Banerjee von der University of California in Santa Barbara stellen einen neuartigen Feldeffekt­transistor vor, den sie ATLAS-TFET – Atomically Thin and Layered Semi­conducting-channel Tunnel-FET – nennen. Wie üblich steuert bei diesem FET die an die Gate-Elektrode angelegte Spannung den zwischen der Source- und der Drain-Elektrode fließenden Strom. Doch während in einem herkömmlichen FET bei dem an- und abzu­schaltenden Strom thermisch angeregte Elektronen beteiligt sind, greift der TFET auf quanten­mechanisch tunnelnde Elektronen zurück.

In einem herkömmlichen FET führt die thermische Anregung der Elektronen, die im Source- Drain- Strom fließen, zu einer Leistungs­grenze: Um diesen Strom zu verzehnfachen, muss man die Gate­spannung mindestens um den Faktor (k_BT log10)/q erhöhen, wobei q die Elektronen­ladung ist. Bei Zimmer­temperatur sind das sechzig Millivolt, die man unabhängig von der Größe des FET mindestens aufbringen muss. Dies führt dazu, dass bei Verkleinerung des FET seine Leistungs­aufnahme und damit auch seine Wärme­produktion nicht so schnell abnehmen wie sein Volumen. Die Leistungs­dichte eines mit FETs bestückten Chips nimmt deshalb mit fort­schreitender Miniaturi­sierung zu und wird schließlich zu groß.

Die Mindestspannung von sechzig Millivolt lässt sich jedoch unterbieten, wenn die Elektronen nicht durch thermische Anregung in den Source-Drain-Kanal gelangen sondern durch quanten­mechanisches Tunneln. Den ersten und bisher einzigen TFET, der die sechzig-Millivolt-Grenze über vier Stromdekaden unterbieten konnte, hatten Katsuhiro Tomioka von der Hokkaido Universität in Sapporo und seine Kollegen 2012 hergestellt. Ihr TFET bestand jedoch aus Nanodrähten, was seine Leistung beschränkte und seine Herstellung erschwerte.

Der neue ATLAS-TFET aus Santa Barbara, der sich mit Methoden der Halbleiter­technologie herstellen lässt, unterbietet die Grenze nun wesentlich souveräner. Für ein, zwei, drei oder vier Strom­dekaden benötigt er im Mittel eine Spannungs­erhöhung von 5,5 mV, 12,8 mV, 22 mV oder 31,1 mV. Das gemessene Minimum für eine Strom­dekade betrug sogar nur 3,9 mV. Ein ähnlich dimensionierter konventioneller FET lag stets über sechzig Millivolt. Das erreichte der ATLAS-TFET durch seinen ungewöhnlichen Aufbau und die dafür verwendeten Materialien.

Die Source-Elektrode war mit einer Schicht aus p-dotiertem Germanium verbunden, auf der an einem Ende eine 1,3 Nanometer dicke Doppellage aus Molybdän­disulfid auflag. Die beiden atomar dünnen MoS₂-Lagen, die durch van der Waals-Kräfte zusammen- und in Position gehalten wurden, waren mit der Drain-Elektrode verbunden. Sowohl die Ge-Schicht wie die MoS₂-Doppellage wurden von einer isolierenden Schicht bedeckt, auf der die Gate-Elektrode saß.

Zunächst konnten keine Ladungen vom Valenzband des Germaniums in das Leitungsband der MoS₂-Doppellage tunneln, da es in den beiden Bändern keine entsprechenden Zustände mit gleichen Energien gab. Der TFET war ausgeschaltet. Wurde jedoch an die Gate-Elektrode eine Spannung von wenigen Millivolt angelegt, so senkte sich das Leitungsband ab. Nun gab es in beiden Bändern Zustände mit gleicher Energie, sodass Ladungen von einem Band zum anderen tunneln konnten. Da die MoS₂-Doppellage flächig mit der Germanium­schicht verbunden war, konnten viele Ladungen in die Doppellage gelangen. Wurde eine Versorgungs­spannung zwischen Source und Drain angelegt, so konnte ein Strom fließen. Der TFET war nun angeschaltet.

Es zeigte sich, dass der ATLAS-TFET schon mit einer Versorgungs­spannung von 0,1 Volt betrieben werden konnte. Der dabei fließende Strom war um zwei Größen­ordnungen stärker als der im TFET aus Sapporo. Die Leistungs­aufnahme des ATLAS-TFET war dabei um neunzig Prozent kleiner als die von herkömmlichen FETs. Angesicht dieser und weitere günstiger Eigenschaften sind die Forscher zuversichtlich, dass sich mit ihrem TFET das Problem der Miniaturi­sierung und Leistungs­aufnahme elektronischer Chips lösen lässt und damit eine neue Elektronik­generation möglich wird.

Rainer Scharf

RK