Ersatz für Silizium, ein neuer Durchbruch

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Forscher stellen Miniaturtransistoren her und verwenden dabei den dünnsten Metalldraht der Welt als Gate-Elektrode, eine Schlüsselkomponente zur Steuerung des Öffnens und Schließens des Transistors.

Anstatt Silizium oder Metall zu verwenden, fertigten die Forscher das Gate aus Molybdändisulfid – einem Halbleiter, der Silizium in den kommenden Jahrzehnten ersetzen könnte. Wenn zwei fehlplatzierte MoS2-Stücke kombiniert werden, entsteht an ihrer Grenze ein Draht von nur 0,4 Nanometer Dicke, viel kleiner als der kleinste Teil eines Transistors in den modernsten CPUs von heute. Die Forscher, die größtenteils am Daejeon Institute of Basic Science in Korea tätig sind, integrierten den Draht als Schlüsselkomponente des ultrakleinen Transistors.

Ihre Arbeit ist das erste Mal, dass diese Grenzlinien zur Herstellung von Transistoren verwendet wurden. Ihre Methode wird möglicherweise nicht so bald kommerziell eingesetzt werden, aber diese Leistung könnte Forscher dazu ermutigen, solche Drähte weiter zu erforschen und in den kommenden Jahren praktischere Transistoren herzustellen.

Molybdändisulfid ist ein typisches Beispiel für einen zweidimensionalen Halbleiter. Silizium und andere heute verwendete Halbleiter benötigen komplexe dritte Dimensionen, um richtig zu funktionieren. Doch wie der Name schon sagt, können zweidimensionale Halbleiter in planaren Schichten aufgebaut werden.

Graphen (eine Schicht aus Kohlenstoffatomen) ist vielleicht das bekannteste zweidimensionale Material, aber Wissenschaftler und Ingenieure haben mit MoS2 und ähnlichen sogenannten Übergangsmetalldisulfiden unglaubliche Fortschritte gemacht. Im Fall von MoS2 ist die Verbindung aufgrund ihrer Molekülstruktur nur drei Atome (etwa 5,4 Nanometer) dick.

Molybdändisulfid hat möglicherweise einen weiteren wichtigen Vorteil bei der Reduzierung der Gatelänge (der Distanz zwischen Quelle und Abfluss) eines Transistors. Ladungsträger betreten und verlassen den Transistor. Aktuelle Forschungen haben die mögliche Gatelänge von Silizium auf etwa 5 Nanometer reduziert. Je kürzer jedoch die Gatelänge eines Siliziumtransistors ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass er im ausgeschalteten Zustand Leckagen aufweist. Molybdändisulfid hat eine große Bandlücke, was es möglicherweise dicht macht.

Natürlich haben Forscher noch keine Methode gefunden, MoS2-Transistoren mit Gate-Längen unter einem Nanometer herzustellen. Einige Labore haben dies erreicht, indem sie andere Materialien als Gates verwendeten – sie stellten MoS2-Transistoren mit dünnen Gates her, die aus den Kanten einer einzelnen Graphenschicht oder einer einzelnen Kohlenstoffnanoröhre bestehen (im Wesentlichen indem Graphen zu sehr dünnen Röhren gerollt wird).

Forscher am Institute of Basic Sciences fragten sich, ob sie ein anderes Material benötigten oder ob sie sich auf eine besondere Eigenschaft von MoS2 selbst verlassen könnten.

Wenn MoS2 auf Saphir, einem üblichen zweidimensionalen Halbleitersubstrat, gezüchtet wird, neigt das Material dazu, in eine von zwei möglichen Richtungen zu wachsen, die jeweils um 60 Grad versetzt sind. Wenn Sie ein Stück in einer Richtung an ein Stück in der anderen anlegen, bilden die beiden an der Grenze eine Linie, wie eine Straße in merkwürdigen Winkeln, wo zwei versetzte Stadtstraßenraster aufeinandertreffen.

Materialwissenschaftler kennen diese Grenzen seit mehreren Jahren und haben sie Spiegelzwillingsgrenzen (Mirror Twin Boundaries, MTBs) genannt. Eine der Messungen ergab, dass der 0,4 nm dicke MTB der dünnste Draht war, der jemals hergestellt wurde. Forscher am Institute for Basic Sciences glauben, dass sie diese Drähte als Gates für Transistoren aus umgebenden Materialien verwenden können.

Um dies zu erreichen, begannen die Forscher zunächst mit zwei fehlplatzierten Stücken Molybdändisulfid mit einer MTB-Leitung dazwischen. Darauf legten sie eine dünne Schicht Aluminiumoxid als Isolator. Darüber legten sie eine weitere Schicht Molybdänsulfid in Atomdicke und platzierten darauf dann eine vergrößerte Source- und Drain-Elektrode. Insgesamt stellten sie 36 funktionsfähige FETs mit ultradünnen Gate-Elektroden her.

Die Forscher sind optimistisch, dass ihre oder eine ähnliche Technologie eines Tages die Grundlage für die Herstellung von Geräten werden könnte. Jo Moon-Ho, ein Forscher am Institute for Basic Sciences und einer der Forscher, sagte in einer Erklärung: „Es wird erwartet, dass sie in Zukunft eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung verschiedener elektronischer Geräte mit geringem Stromverbrauch und hoher Leistung wird.“ „In Zukunft könnten Forscher möglicherweise Elektronik mit besserer Kontrolle über die Eigenschaften von Drähten entwickeln.“

Eric Pop, Elektroingenieur an der Stanford University (der an MoS2 arbeitet und nicht an der Studie beteiligt war), ist jedoch nicht optimistisch, dass Boundarys Ansatz vom Labor in die Fabrik übergehen kann. „Ich glaube nicht, dass seine Verwendung als Gate-Elektrode für industrielle Anwendungen in Frage kommt“, sagt Pop. „Das Gate muss aus Metall sein und in die Schaltungsgeometrie eingepasst werden“, sagt er, sonst verliert der Ingenieur die wichtige Fähigkeit, die Gate-Schwellenspannung zu steuern.

Darüber hinaus sagte Pop, dass das Züchten von 2D-Halbleitern auf Saphiren, wie es Moon und seine Kollegen taten, nicht ideal sei. Nach dem Züchten auf Saphir muss das zweidimensionale Material mühsam auf eine Siliziumscheibe übertragen werden. Stattdessen, so Pop, sollten praktische 2D-Halbleiter direkt auf Materialien wie Silizium oder Silizium gezüchtet werden.

Trotz Popes Bedenken bezeichnete er die Studie als „gute Wissenschaft“ und besonders nützlich für Wissenschaftler, die mit MTBs arbeiten.