Dank zweidimensionaler Halbleiter: Erster Computerchip mit drei Lagen entwickelt
Die derzeit in der Elektronik verwendeten Silizium-Transistoren sind langsam an einer Grenze angelangt: Sie lassen sich kaum noch weiter verkleinern. Weltweit wird deshalb nach neuen Ansätzen gesucht. Unter anderem geht es dabei um die Entwicklung von neuen Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Germanium. Ein weiterer möglicher Ansatz sind mehrschichtige Mikrochips. Forscher:innen ist es nun erstmals gelungen, einen Chip zu entwickeln, in dem mehrere zehntausend Transistoren in mehreren Lagen übereinander liegen. Dabei kamen sie ohne Silizium aus.
Zweidimensionale Halbleiter machen es möglich
„Die Halbleiterindustrie setzt auf das dreidimensionale Stapeln, um ‚mehr als Moore‘ zu erreichen„, erläutern das Forschungsteam rund um Darsith Jayachandran von der Pennsylvania State University. Mehrlagige Mikrochips weisen mehr Transistoren pro Fläche auf. So ermöglichen sie noch mehr Miniaturisierung als es bei herkömmlichen Chips möglich ist. Dank der vertikalen Anordnung der Schaltkreise ist die Entfernung zwischen ihnen zudem kleiner, was sich in geringeren Verzögerungen sowie einem niedrigeren Stromverbrauch niederschlägt.
Als besonders vielversprechend gelten dabei sogenannte monolithische 3D-Chips, die nicht aus mehreren nachträglich gestapelten Schichten bestehen. Stattdessen handelt es sich um Transistorschichten, die direkt bei der Herstellung so eingeprägt wurden. „Die monolithische 3D-Integration bietet die höchste Verbindungsdichte und verringert die elektrostatische Kopplung„, so das Team.
Dieses Herstellungsverfahren lässt sich mit dem Halbleiter Silizium nicht umsetzen, da die zulässige Maximaltemperatur von etwa 450 Grad Celsius überschritten werden würde. Als Alternative verwendeten die Forscher:innen die zweidimensionalen Halbleiter Molybdändisulfid und Wolframdiselenid. Diese bestehen nur aus einer einzigen Lage Atome, können leicht gestapelt werden und ermöglichen eine besonders hohe Transistor-Dichte.
Erster dreilagiger 3D-Chip
Die drei verschiedenen 3D-Chips, die die Forscher:innen herstellten, bestehen jeweils aus mehreren Tausend Transistoren pro Schicht. Die einzelnen Schichten wurden dabei nacheinander bei weniger als 180 Grad Celsius durch ein Dampfabscheidungsverfahren erzeugt. Die Transistorkomponenten wurden im Nachhinein mittels Elektronenstrahl-Lithografie hinzugefügt.
Der größte dieser Mikrochips enthält bis zu 30.0900 Feldeffekttransistoren aus Molybdändisulfid pro Schicht. Als das Team die Chips testeten, arbeiteten diese Transistoren weitgehend ohne Störungen. Die Forscher:innen konstruierten außerdem einen dreilagigen 3D-Chip, in dem sie Transistoren aus Molybdändisulfid und Wolframdiselenid kombinierten. „Unseres Wissens nach ist dies das erste Mal, das ein dreilagiger 3D-Chip demonstriert wurde„, so das Team.
Fortschreitende Miniaturisierung von Mikrochips
Die Forscher:innen gehen davon aus, dass diese Ergebnisse den Weg zu monolithischen 3D-Computerchips aus zweidimensionalen Halbleitern ebnen. Mit ihren Versuchen demonstrierten sie, dass die Herstellung solcher Chips nicht nur im Labormaßstab, sondern auch im Wafer-Maßstab möglich ist. Die Arbeit der Forscher:innen zeigt, dass die Kluft zwischen Forschung und industrieller Anwendung überbrückt werden kann.
Die Technologie muss zwar noch weiter verbessert werden, aber es spricht vieles dafür, dass mit derartigen Technologien unter Verwendung zweidimensionaler Halbleiter eine fortschreitende Miniaturisierung von Elektronik ermöglichen wird.
