Forscher des MIT haben einen bahnbrechenden nanoskalaren Transistor vorgestellt, der verspricht, die Elektronik zu revolutionieren, indem er eine höhere Effizienz als herkömmliche silikonbasierte Geräte bietet. Diese Innovation adressiert die Einschränkungen, die durch die sogenannte 'Boltzmann-Tyrannei' entstehen, eine physikalische Einschränkung, die silikonbasierte Transistoren daran hindert, unter einer bestimmten Spannung zu arbeiten, und somit die Energieeffizienz beeinträchtigt.
Das neue Design integriert ultradünne Halbleitermaterialien wie Galliumantimonid und Indiumarsenid und nutzt das Quanten-Tunneling—ein Phänomen, das es Elektronen ermöglicht, Energiebarrieren zu durchqueren, anstatt sie zu überwinden. Dies führt zu einer dreidimensionalen Transistorstruktur, die aus vertikalen Nanodrähten besteht, die nur wenige Nanometer breit sind, wodurch der Betrieb bei deutlich niedrigeren Spannungen möglich ist, während die Leistung mit modernen silikonbasierten Transistoren vergleichbar bleibt.
Yanjie Shao, Postdoktorand am MIT und Hauptautor der Studie, erklärte: "Dies ist eine Technologie mit dem Potenzial, Silizium zu ersetzen, sodass dieselben Funktionen mit verbesserter Energieeffizienz genutzt werden können." Die neuen Tunneltransistoren zeigen einen scharfen Übergang zwischen den Zuständen 'aus' und 'ein' bei niedrigeren Spannungen, was ein Kunststück ist, das herkömmliche Siliziumtransistoren nur schwer effizient erreichen können.
Die Konstruktion dieser Transistoren nutzt das Quantenkonfinement, um das Verhalten von Elektronen in einem engen Raum zu steuern und deren Tunnelkapazität zu verbessern. Die fortschrittliche Einrichtung des MIT, MIT.nano, ermöglichte die Schaffung präziser 3D-Geometrien, die für diesen Effekt erforderlich sind, was zu den kleinsten bisher berichteten 3D-Transistoren mit Durchmessern von nur 6 Nanometern führt.
Laut Jesús del Alamo, Senior-Autor und Donner-Professor für Ingenieurwesen, "gibt es mit der herkömmlichen Physik nur eine bestimmte Grenze, die man erreichen kann. Yanjies Arbeit zeigt, dass wir diese Grenzen überschreiten können, indem wir andere Physik verwenden. Es gibt viele Herausforderungen, die noch überwunden werden müssen, damit dieser Ansatz kommerziell erfolgreich sein kann, aber konzeptionell ist es ein echter Durchbruch."
Das Forschungsteam, zu dem auch die Professoren Ju Li, Marco Pala und David Esseni gehören, konzentriert sich nun darauf, die Fertigungsmethoden zu verbessern, um eine größere Einheitlichkeit zwischen den Chips zu erreichen. Sie untersuchen alternative vertikale Designs, die die Auswirkungen kleiner Inkonsistenzen auf der Nanometerskala auf die Geräteleistung verringern könnten. Diese Studie, veröffentlicht in Nature Electronics, wurde teilweise von Intel Corporation finanziert, was das Interesse der Industrie an der Weiterentwicklung über die traditionelle Siliziumtechnologie hinaus verdeutlicht.