Graphen: Transistorgate mit einem Atom Breite

Mit Graphen fertigen Forscher das wohl kleinstmögliche Transistorgate: Es ist nur ein Atom breit.

Artikel veröffentlicht am 16. März 2022, 12:30 Uhr, Johannes Hiltscher

Schichtaufbau des Graphentransistors (Bild: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04323-3)

Ein Forschungsteam der Tsinghua Universität in China hat eine harte Grenze in der Halbleiterfertigung erreicht. Mit neuen Fertigungsmethoden konnten sie ein Transistorgate mit der Breite eines Kohlenstoffatoms herstellen, das entspricht 0,34 nm. Zum Einsatz kamen Graphen für die Gateelektrode und Molybdendisulfid als Halbleiter für den Kanal. Zusätzlich nutzten sie einen architektonischen Trick.

Die Kontakte des Transistors, Source und Drain, liegen auf verschiedenen Ebenen wie auf zwei Treppenstufen. Üblicherweise befinden sich diese in einer Ebene. Durch die Stufe verläuft der Kanal senkrecht zur Gateelektrode. Sie besteht aus Graphen und wird im Vakuum auf einen Wafer aus Silizium aufgedampft. So können extrem dünne Schichten mit exakter Dicke erstellt werden - in diesem Fall ist die Schicht lediglich ein Atom stark. Die ungewöhnliche Architektur macht jedoch den Aufbau komplizierter.

Auf das Graphen wird Aluminium aufgebracht, um die Stufe zu erzeugen. Dieses wird zur Isolation noch einmal mit Hafnium überzogen. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse der Gruppe in der Märzausgabe von Nature, ein frei zugänglicher Artikel findet sich bei IEEE Spectrum. Die Gruppe ist jedoch nicht die erste, die mit Graphen und Molybdendisulfid arbeitet.

Die Hoffnung für weitere Miniaturisierung

Als 2D-Materialien bezeichnete neue Werkstoffe wie Kohlenstoff oder Molybdendisulfid sind die Hoffnungsträger zur weiteren Miniaturisierung von Halbleitern. Denn die Grenzen des Siliziums sind annähernd erreicht. Der Vorteil der 2D-Materialien: Sie lassen sich gezielt mit sehr geringer Dicke aufbringen. So sind Schichten mit Stärken von nur einem Atom oder Molekül möglich - in der dritten Dimension ist die Ausdehnung also minimal. Ein Nachteil der verwendeten Stoffe ist jedoch, dass sie andere Eigenschaften haben und somit andere Fertigungstechniken erfordern.

So werden Strukturen nicht, wie aktuell üblich, chemisch geätzt. Da die dünnen Schichten extrem empfindlich sind, wird auf Plasmaätzen gesetzt. Der neue Transistor hat ein zusätzliches Problem: Die Gateelektrode muss kontaktiert werden, ist jedoch unter der Aluminiumschicht verborgen. Also muss die Deckschickt entweder zielgenau aufgebracht oder teilweise wieder entfernt werden. Beides ist technisch anspruchsvoll. Mitautor Tian-Ling Ren benennt zudem eine bessere Kontrolle des Wachstums der Molybdendisulfidschicht als Herausforderung - neben dem hohen Preis des Materials. Entsprechend unspektakulär wirkt das nächste Ziel der Gruppe, einen 1-Bit Prozessor mit dem entwickelten Transistor zu realisieren.

Ein aktives Forschungsfeld

Die chinesische Gruppe ist nicht die erste, die Graphen zur Halbleiterfertigung einsetzt. Bereits 2016 veröffentlichte eine Forschungsgruppe aus Berkeley über einen nur wenig größeren Transistor. Eine Gruppe aus Wien präsentierte sogar einen vollständigen Prozessor. Von praktischen Anwendungen sind alle jedoch noch weit entfernt.