Transistoren, die als eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts gefeiert werden, sind integrale Bestandteile der modernen Elektronik, die elektrische Signale verstärken oder schalten. Da die Elektronik immer kleiner wird, wird es immer schwieriger, die Transistoren auf Siliziumbasis weiter zu verkleinern. Ist die Entwicklung unserer Elektronik an eine Grenze gestoßen?
Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung des Instituts für Industriewissenschaften der Universität Tokio nach einer Lösung gesucht. Wie in ihrer neuen Studie beschrieben, hat das Team das Silizium aufgegeben und sich stattdessen für einen Transistor aus Gallium-dotiertem Indiumoxid (InGaOx) entschieden. Dieses Material kann als kristallines Oxid strukturiert werden, dessen geordnetes Kristallgitter gut für die Elektronenmobilität geeignet ist.
Gate-all-around für bessere Skalierbarkeit
„Wir wollten auch, dass unser Transistor aus kristallinem Oxid eine ‚Gate-all-around‘-Struktur aufweist, bei der das Gate, das den Strom ein- oder ausschaltet, den Kanal umgibt, in dem der Strom fließt“, erklärt Anlan Chen, Hauptautor der Studie. „Indem wir das Gate vollständig um den Kanal wickeln, können wir die Effizienz und Skalierbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gates verbessern.“
Mit diesen Zielen im Hinterkopf machte sich das Team an die Arbeit. Die Forscher wussten, dass sie dem Indiumoxid Verunreinigungen zuführen mussten, indem sie es mit Gallium „dotierten“. Dadurch würde das Material auf eine günstigere Weise mit Strom reagieren.
„Indiumoxid enthält Sauerstoffdefekte, die die Streuung von Ladungsträgern begünstigen und damit die Stabilität der Bauelemente verringern“, sagt Masaharu Kobayashi, der Erstautor. „Wir haben Indiumoxid mit Gallium dotiert, um die Sauerstoffleerstellen zu unterdrücken und so die Zuverlässigkeit der Transistoren zu verbessern.“
Hochmobile MOSFETs mit InGaOx-Schichten
Das Team beschichtete den Kanalbereich eines Gate-Allaround-Transistors mittels Atomlagenabscheidung mit einem dünnen Film aus InGaOx, eine Atomlage nach der anderen. Nach der Abscheidung wurde die Schicht erhitzt, um sie in die für die Elektronenbeweglichkeit erforderliche kristalline Struktur zu verwandeln. Dieses Verfahren ermöglichte schließlich die Herstellung eines „Metalloxid-basierten Feldeffekttransistors“ (MOSFET) mit rundem Gate.
„Unser Gate-all-around-MOSFET, der eine mit Gallium dotierte Indiumoxidschicht enthält, erreicht eine hohe Mobilität von 44,5 cm2/Vs“, erklärt Dr. Chen. „Entscheidend ist, dass der Baustein eine vielversprechende Zuverlässigkeit aufweist, da er unter Belastung fast drei Stunden lang stabil arbeitet. Unser MOSFET übertrifft sogar ähnliche Bauelemente, über die bisher berichtet wurde.“
Die Bemühungen des Teams haben der Branche ein neues Transistordesign beschert, das sowohl die Bedeutung der Materialien als auch der Struktur berücksichtigt. Die Forschung ist ein Schritt in Richtung der Entwicklung zuverlässiger elektronischer Komponenten mit hoher Dichte, die sich für Anwendungen mit hohem Rechenbedarf eignen, wie etwa Big Data und Künstliche Intelligenz. Diese winzigen Transistoren versprechen, den reibungslosen Betrieb der Technologien der nächsten Generation zu unterstützen und unser tägliches Leben erheblich zu verbessern.
