Die Hong Kong Polytechnic University (PolyU) hat einen Durchbruch in der Transistortechnologie angekündigt, der die Zukunft der Mikroelektronik neu definieren könnte. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Jianhua HAO, Leiter der Abteilung für Physik und Materialien und Inhaber des Lehrstuhls für Materialphysik und -bauelemente, hat einen neuartigen Tunnel-Feldeffekttransistor (TFET) aus 2D-Nanomaterialien entwickelt. Die Innovation überwindet die physikalische "Boltzmann-Grenze", eine Barriere, die die Energieeffizienz herkömmlicher Transistoren seit langem einschränkt.
Herkömmliche Transistoren basieren auf thermionischer Emission, die eine minimale Gatespannung von 60 Millivolt (mV) erfordert. Diese als Boltzmann-Grenze bekannte Einschränkung macht Subthreshold-Swing-Werte (SS) unter 60 mV pro Dekade bei Raumtemperatur unmöglich und begrenzt dadurch Fortschritte in der Hochleistungselektronik. Das von PolyU geleitete Team, das mit der National University of Singapore, der Hong Kong University of Science and Technology, der Peking-Universität und der Singapore University of Technology and Design zusammenarbeitet, hat einen TFET entwickelt, der Quantentunneln nutzt, um diese Grenze zu umgehen.
Prof. Hao erklärte: "Durch die Nutzung von Quantentunneln durchbricht unser TFET diese Grenze und ebnet den Weg für extrem energieeffiziente, leistungsstarke integrierte Schaltungen, die für aufkommende KI-Chips und fortschrittliche Halbleiteranwendungen unerlässlich sind." Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Science veröffentlicht.
Das Team erzeugte eine ultradünne Heterostruktur aus abwechselnden 2D-Wismut- und Indiumselenidschichten mittels gepulster Laserdeposition. Durch präzise Kontrolle der Schichtstruktur verwandelt sich das normalerweise halbmetallische Wismut in seiner 2D-Form in einen Halbleiter, wodurch Ladungsträger durch Quantentunneln effizient in Indiumselenid tunneln können. Der resultierende TFET erreichte SS-Werte deutlich unter der 60-mV-pro-Dekade-Grenze und arbeitete bei Raumtemperatur auf Siliziumsubstraten. Das Bauelement benötigte nur einen Gatespannungsbereich von 160 mV, verglichen mit den ursprünglich benötigten 800 mV, was einer Reduktion um den Faktor fünf entspricht.
Dieser Durchbruch löst eine langjährige Herausforderung bei experimentellen TFETs: die Bereitstellung eines hohen Ausgangsstroms bei gleichzeitig extrem hohem Ein-/Aus-Stromverhältnis. Diese Kombination ist entscheidend für den Betrieb mehrerer nachgeschalteter Logikgatter und die Reduzierung von Schaltkreisverzögerungen, was die Technologie für praktische integrierte Schaltungen nutzbar macht.
Die Auswirkungen sind für die Halbleiterindustrie und darüber hinaus bedeutend. Mit der wachsenden Nachfrage nach energieeffizientem Rechnen, insbesondere durch den Aufstieg von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen, ist der Bedarf an Transistoren, die weniger Strom verbrauchen und gleichzeitig höhere Leistung bieten, von größter Bedeutung. Diese TFET-Technologie könnte zu effizienteren KI-Chips, längerer Akkulaufzeit in tragbaren Geräten und reduziertem Energieverbrauch in Rechenzentren führen. Sie bietet auch einen Weg, die Transistorgrößen weiter zu skalieren und so der Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes entgegenzuwirken.
Die Zusammenarbeit zwischen PolyU und anderen führenden Institutionen unterstreicht die globalen Bemühungen, die Grenzen der Halbleitertechnologie zu erweitern. Mit diesem Fortschritt hat das Team eine Grundlage für zukünftige Innovationen in der Ultra-Niedrigleistungselektronik geschaffen, die möglicherweise Branchen transformieren, die auf Hochleistungsrechnen angewiesen sind.
