Halbleitertechnologie: Höchstgeschwindigkeit für Transistoren

Ein Prozessor rechnet nur so schnell, wie seine Transistoren schalten. Bei einem Petahertz ist Schluss.

Artikel veröffentlicht am 30. März 2022, 12:45 Uhr, Johannes Hiltscher

Ein optoelektronischer Versuchsaufbau (Bild: Wikimedia Commons/CC-BY 2.0)

Gerade hat Intel das Gigahertz-Wettrennen wieder eröffnet. Da stellt sich die Frage: Wie schnell kann ein Prozessor denn sein, theoretisch zumindest?

Ein Forschungsteam aus Österreich und Deutschland hat die Antwort: Mit Halbleitertechnik ist ein Petahertz die Obergrenze. Veröffentlicht ist sie in Nature Communications, eine Pressemitteilung der TU Graz versucht das Thema verständlich aufzubereiten.

Wer jetzt auf stark steigende Taktraten hofft, wird allerdings enttäuscht - der mittels Messungen und Simulationen bestimmte Wert ist eine theoretische Grenze. Aufgrund quantenmechanischer Prozesse sind nach den Erkenntnissen der Forscher Taktraten über einem Petahertz, also einer Million Gigahertz, nicht möglich. Diese Prozesse machen einen Transistor leitfähig.

Nur Licht schwingt schnell genug

Relevant ist dieser Wert auch nur für die Optoelektronik, elektrisch angesteuerte Transistoren können ihn nicht erreichen. Denn eine kürzere Schaltzeit erfordert eine höhere Signalfrequenz, da pro Wellenzyklus nur ein Schaltvorgang erfolgen kann. Das erreichte Petahertz liegt bereits weit im ultravioletten Bereich des Lichtspektrums.

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Zwei Laserimpulse treffen den optoelektronischen Transistor: der erste regt Elektronen an, der zweite setzt sie in Bewegung. Ein elektrisches Feld entsteht. (Quelle: Nature Communications)

Für die Versuche wurde ein sehr spezieller, optisch angesteuerter Transistor entwickelt. Der Versuchsaufbau umfasst neben einem Laser Optik zur Erzeugung eines genau definierten Lichtimpulses. Kurz gesagt: Er ist groß und teuer.

Der Laserimpuls regt hier den Elektronenübergang vom Valenz- ins Leitungsband an - bei einem elektrisch angesteuerten Transistor ist es eine Spannung. Auch kam kein übliches Halbleitermaterial zum Einsatz, sondern Lithiumfluorid, ein Dielektrikum.

Dielektrika haben große Bandabstände, welche die maximal mögliche Schaltfrequenz bestimmen. Bei Lithiumfluorid sind es 13,6 eV zwischen Valenz- und erstem Leitungsband, zum nächsthöheren Leitungsband beträgt die Lücke 6,2 eV. Wichtig sind die Bandabstände, da der Laserimpuls viel Energie mitbringt, die Elektronen aber gezielt auf ein Energieniveau angeregt werden müssen. Große Abstände ermöglichen die Nutzung hochfrequenten Lichts und entsprechend hohe Schaltfrequenzen.

Energie muss genau dosiert werden

Damit tatsächlich Strom fließt, sind zwei Laserimpulse erforderlich. Der erste befördert Elektronen ins Leitungsband und entspricht der Source-Spannung eines Mosfet. Damit möglichst viele der angeregten Elektronen zum Stromfluss beitragen und ein kurzes, eindeutiges Signal erzeugen, war das Ziel, alle in dasselbe Band zu befördern.

Hierzu wird mittels Argongas aus sichtbarem Laserlicht ein kurzer, genau kontrollierter Impuls extrem ultravioletten Lichts erzeugt. Er bringt ausreichend Energie mit, um die Bandlücke zu überwinden, die Elektronen aber noch weit vom nächsthöheren Band entfernt zu halten.

Der zweite Impuls kommt vom selben Laser und ist leicht zeitverzögert. Er liegt im Bereich roten Lichts, wird also nicht durch das Argongas geleitet. Dadurch ist er weniger energiereich, um die angeregten Elektronen nicht in ein höheres Leitungsband zu versetzen.

Nachdem der erste Laserpuls die Elektronen angeregt hat, setzt der zweite sie in Bewegung. Er entspricht der Gate-Spannung eines Mosfet. So entsteht ein elektrisches Potenzial, das zwischen zwei auf das Lithiumfluorid aufgebrachten Elektroden gemessen wird. Messtechnisch wurden 1,4 Femtosekunden (fs) als minimal mögliches Schaltintervall bestimmt, theoretisch werden 1,2 fs angegeben.

Die Angabe von einem Petahertz als maximal möglicher Frequenz ist also eine Abschätzung nach oben, ein optimistischer Wert. Bei einem Schaltintervall von 1,2 fs betrüge die Frequenz 833 Terahertz. Der Grund hierfür wird sein, dass mit Lithiumfluorid ein leicht verfügbares Material genutzt wurde. Es hat zwar die größten bekannten Bandabstände natürlicher Materialien, synthetisch hergestellte könnten diese aber eventuell übertreffen. Aber auch mit 833 THz schaltet der Transistor 150,000 Mal schneller als Intels neuer Core i9-12900KS und übertrifft den Overclocking-Weltrekord um fast das 100.000-Fache.