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Berkeley-Forscher bauen weltkleinsten Transistor

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Berkeley Lab Logo100Ein Team von Forschern am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in San Francisco haben einen Durchbruch bei Transistorgrößen erzielt. Ali Javey und seinen Mitforschern gelang es, einen Gate (Gatter) mit einer Größe von 1 nm zu erschaffen. In Halbleitern auf Siliziumbasis können Gatter nicht kleiner als 5 nm sein.

Javey verwendete Kohlenstoffnanorörchen und Molybdändisulfid (MoS2). MoS2 ist ein recht gewöhnliches Schmiermittel für Motoren, gehört allerdings zu einer Werkstoffgruppe, dass auch in LEDs, Solarzellen und Transistoren verwendet wird. Indem MoS2 statt Silizium verwendet wurde, konnte die Gategröße um ein Fünftel verringert werden.

"Die Halbleiterindustrie ist davon ausgegangen, dass jede Gate unterhalb 5 nm nicht funktionieren würde, sodaß alles darunter nicht mal in Betracht gezogen wurde," erklärte der Student Sujay Desai, ein Mitglied im Team. "Indem man das Material von Silizium zu MoS2 wechselte, konnten wir einen Transistor mit einem Gate von nur 1 nm Länge herstellen, und es wie einen Switch schalten."

Transistoren bestehen aus eine Quelle, Senke und einem Gatter. Durch eine Steuerspannung kann das Gatter geschaltet werden, und den Fluß der Elektronen zwischen der Quelle und der Senke steuern. Silizium und MoS2 besitzen beide eine Kristallgitterstruktur. Fließen Elektronen durch Silizium, erfahren sie einen geringeren Widerstand im Vergleich zu MoS2. Ist ein Gatter jedoch kleiner als 5 nm, kann es Elektronen nicht blockieren und davon abhalten, zwischen Quelle und dem sogenannten Drain hin und her zu fließen. Der Zustand des Transistors kann im Falle solcher Tunneleffekte dann nicht beeinflusst werden, er kann nicht mehr an oder aus geschaltet werden. Bei MoS2 erfahren Elektronen jedoch einen höheren Widerstand, wodurch der Elektronenfluss auch mit einer geringeren Länge eines Gates kontrolliert werden kann.

Das Kohlenstoffnanorohr übernahm in diesem Versuchsaufbau die Funktion des Gates. Kristalle aus MoS2 wurden über dem Gatter positioniert, und mit Nickelelektroden verbunden, die als Quelle und Senke fungierten. Das Interesse der Halbleiterindustrie kann dem Team sicher sein, da die Tage von Chips auf Siliziumbasis mehr oder weniger gezählt sind. Noch geringere Transistorengrößen sind aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Silizium bald nicht mehr möglich, MoS2 bietet sich als Ersatz an.

Die Forschungsergebnisse wurden als wissenschaftlicher Artikel in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Mit einem passenden Zugang kann der Artikel hier eingesehen werden.

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