Spintronik: Kleinere Transistoren durch Magneteffekt

Siliziumhalbleiter kommen an ihre Grenzen, neue Techniken stehen in den Startlöchern. Eine nutzt Graphen und basiert auf magnetischem Spin.

Artikel veröffentlicht am 13. April 2022, 9:45 Uhr, Johannes Hiltscher

Elektronen rotieren, dadurch ergibt sich ihr Spin und sie erzeugen ein Magnetfeld. (Bild: J. Fal/JILA)

Die Halbleiterfertigung mit Siliziumtechnologie wird in absehbarer Zeit an physikalische Grenzen stoßen. Wissenschaftler suchen daher seit Jahren nach Auswegen. Während einige komplett neue Wege des Rechnens gehen, versuchen andere durch den Einsatz alternativer Materialien eine Miniaturisierung bis auf Atomgröße zu erreichen. Ein Ansatz ist der Spin-Transistor.

Forschern der Universitäten von Nebraska in Lincoln sowie New York in Buffalo gelang es, einen solchen Spin-Transistor zu konstruieren. Während ein Siliziumtransistor Strom mit einer Spannung schaltet, basiert die von ihnen entwickelte Variante auf dem magnetischen Moment. Dieses wird auch als magnetischer Spin bezeichnet und kennt zwei Zustände. Das klingt bereits nach binärer Logik; hiermit einen funktionierenden Transistor herzustellen ist allerdings nicht trivial.

Zuerst wird ein Material benötigt, dessen Spin gesetzt werden kann - am besten elektrisch. So können einzelne Bereiche gezielt magnetisiert werden. Hierfür bietet sich Chrom(III)-oxid an, mit welchem einer der beteiligten Wissenschaftler seit Jahren forschte. Es wird dünn auf einen Wafer aus Aluminiumoxid aufgebracht, eine hierauf erstellte Graphenschicht dient zum Auslesen der Magnetisierung des Chrom(III)-oxids.

Magnetfeld lenkt Strom

Das Auslesen basiert auf der Spin-Bahn-Kopplung von Chrom(III)-oxid und Elektronen im Graphen. Dazu wird ein Strom durch den Graphen geleitet. Dessen Elektronen haben einen zufälligen Spin, einige werden abgelenkt und dadurch zu einer von zwei Elektroden geleitet. An diesen wird der Strom gemessen, so dass wieder ein binär codiertes Signal entsteht. Besonders an der erstellten Schaltung ist, dass sie bei Raumtemperatur funktioniert.

Außerdem behält das Chrom(III)-oxid seinen Spin bei, nachdem dieser gesetzt wurde. Es wird also nur zum Umschalten Energie benötigt. Das macht die Schaltung besonders für Speicher interessant. Diesen Einsatzzweck heben auch die beteiligten Forscher hervor. Im Vergleich zu statischem RAM (SRAM), der beispielsweise für Caches verwendet wird, zeigt sich ein großer Vorteil: Pro Bit wird nur ein Spin-Transistor benötigt. Werden MOSFETs verwendet, sind mindestens vier erforderlich. Theoretisch könnten SRAMs also deutlich kleiner werden.

Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg - die in Advanced Materials publizierte Arbeit ist Grundlagenforschung. Sie ist jedoch ein wichtiger Schritt, da sie zeigt, dass solche Schaltungen bei Raumtemperatur funktionieren und mit einfach verfügbaren Materialien sowie existierenden Fertigungsmethoden hergestellt werden können. Für das als Spintronik bezeichnete Forschungsfeld, das auf magnetischem Spin aufbauende elektronische Schaltungen untersucht, ist dies ein wichtiger Beitrag.