Sub-5nm-Transistoren auf Vier-Zoll-Wafern

Jeder Prozessor besteht aus Transistoren, winzigen elektrischen Schaltern. Seit Jahrzehnten werden Chips leistungsfähiger, indem diese Schalter immer kleiner werden. Ein von der Carnegie Mellon University geleitetes Team hat nun Transistoren aus einer einzigen Atomlage Molybdändisulfid (MoS₂) hergestellt. Ihre Kanäle sind kürzer als 5 Nanometer; zugleich ließ sich das Verfahren auf einem Vier-Zoll-Wafer umsetzen (Nature Communications). Die begutachtete Studie verbindet damit extreme Miniaturisierung mit dem Strukturierungsverfahren, das auch in der Chipfertigung eingesetzt wird.

An der Arbeit waren außerdem die University of Florida, das Massachusetts Institute of Technology, Texas A&M, die University of Southern California und Spaniens Universidad Politécnica de Madrid beteiligt (Semiconductor Engineering).

Das Gate behält die Kontrolle

In einem Transistor fließt der Strom von einem Anschluss, der Source, zu einem zweiten, dem Drain, durch einen Materialstreifen, der als Kanal bezeichnet wird. Eine dritte Elektrode, das Gate, steuert den Strom, indem sie eine Energiebarriere hebt oder senkt. Anschaulich müssen Elektronen einen Hügel überwinden: Wird er angehoben, bleibt der Schalter aus; wird er abgesenkt, fließt Strom.

Wird der Kanal zu stark verkürzt, liegen Source und Drain so dicht beieinander, dass ihre elektrischen Felder den Hügel selbst abflachen. Das Gate verliert dann seine alleinige Kontrolle, und Strom fließt, obwohl der Schalter ausgeschaltet sein sollte. Der Effekt ähnelt einem Wasserhahn, der sich nie vollständig schließen lässt.

Der Ansatz des Teams beruht auf der extrem geringen Dicke des Kanals. In einer Schicht von nur einer Atomlage wirkt das elektrische Feld des Gates auf den gesamten Kanal zugleich, sodass kein Teil des Materials außerhalb seiner Reichweite liegt (Nature Communications).

Wie scharf schaltet der Transistor?

Ingenieure bewerten die Schärfe eines Schalters mit der sogenannten Subthreshold Swing. Sie gibt an, wie stark die Gate-Spannung erhöht werden muss, damit sich der Strom beim Einschalten verzehnfacht. Je kleiner dieser Wert ist, desto schärfer schaltet der Transistor; prinzipiell kann er dann mit einer niedrigeren Spannung betrieben werden (Nature Communications). Einen Niederspannungsschaltkreis hat die Studie allerdings nicht demonstriert.

Für die getesteten Bauelemente geben die Autoren eine Subthreshold Swing von 88 Millivolt pro Dekade an. Der Strom im eingeschalteten Zustand sei mehr als eine Million Mal größer als im ausgeschalteten Zustand (Nature Communications). Die Zusammenfassung macht nicht deutlich, ob es sich bei den 88 Millivolt um den besten, einen typischen oder den mittleren Wert handelt. Die eigentliche Aussage liegt im Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltstrom: Ein derart kleiner Baustein, der nur Strom leitete, wäre lediglich ein Draht. Diese Transistoren schalten jedoch weiterhin.

Der Titel der Studie spricht von einer Leistung „jenseits des Siliziumlimits“. Damit ist nicht gemeint, dass die Bauelemente die thermische Grenze von etwa 60 Millivolt pro Dekade unterschreiten, die konventionelle Transistoren bei Raumtemperatur begrenzt (review). Mit 88 Millivolt liegen sie darüber. Der Vergleich mit Silizium ist die Einordnung der Autoren.

Vom Rekordbauelement zum Wafer

Frühere Experimente hatten MoS₂-Transistoren bereits auf bemerkenswerte Abmessungen gebracht, darunter Kanäle von weniger als 10 Nanometern (Nano Letters) und eine Gate-Elektrode von etwa einem Nanometer Länge (Science). Die neue Arbeit ergänzt diese Miniaturisierung um ein Verfahren, das sich an der Fertigung orientiert. Das Team nutzte Fotolithografie: Dabei werden Schaltungsmuster durch eine schablonenartige Maske auf eine lichtempfindliche Beschichtung übertragen. Auf demselben Grundprinzip beruht die Strukturierung in Chipfabriken.

Nach Darstellung der Autoren ist das Verfahren mit der CMOS-Fertigung vereinbar, dem Herstellungsprozess hinter nahezu allen digitalen Chips. Die einzelnen Schritte seien so ausgelegt, dass sie mit der herkömmlichen Siliziumverarbeitung zusammenspielen könnten. Erprobt wurde das Verfahren auf einem Wafer mit etwa 100 Millimetern Durchmesser (Nature Communications); auch Semiconductor Engineering nennt diese Größe in seiner Zusammenfassung der Studie (Semiconductor Engineering).

Die Studie demonstriert damit die Fertigung auf Wafer-Ebene. Für die industrielle Reife wären Daten zur Ausbeute und zu den Schwankungen zwischen einzelnen Bauelementen erforderlich; die veröffentlichte Zusammenfassung enthält sie nicht. Auch ist aus den zugänglichen Angaben nicht ersichtlich, ob die Transistoren zu Schaltungen verbunden wurden. Eine separate Untersuchung auf größeren 300-Millimeter-Wafern mit längeren MoS₂- und WS₂-Bauelementen zeigt, worin die nächsten Hürden liegen. Sie erreichte eine Ausbeute von ungefähr 95 bis 99 Prozent, stellte aber weiterhin einen hohen Kontaktwiderstand fest, also elektrische Verluste an der Verbindung zwischen Metallleitungen und der atomar dünnen Schicht. Zudem traten Schwankungen von Wafer zu Wafer auf (300-mm study).

Die begutachtete Arbeit zeigt, dass sich MoS₂-Kanäle unter fünf Nanometern und eine lithografische Fertigung auf Wafer-Ebene in einem Verfahren verbinden lassen (Nature Communications). Ob daraus eine Fertigungsplattform werden kann, hängt nun von der Ausbeute und der Bauelementestreuung ab.