Neuer Universaltransistor soll Bremsen für Mikroelektronik lockern

Dresden, 15. August 2013: Die Mikroelektronik-Industrie weltweit kämpft mit wachsenden Problemen, die inneren Strukturen ihrer Chips im selben Tempo wie bisher zu verfeinern, was aber eine wichtige Voraussetzung ist, um künftig noch bessere Computertelefone und andere Elektronik herzustellen. Das Problem: Viele Schaltungen in heutigen Chips sind nur noch wenige Atomlagen dick und in diesen winzigen Architekturen noch Störfelder und Leckströme zu kontrollieren, wird mehr und mehr zum Problem. Daher haben Dresdner Forscher nun einen Universaltransistor (Minischalter) aus extrem dünnen Silizium-Nanodrähtchen konstruiert. In der Perspektive zielen diese Forschungen auf Computerchip, die in Zukunft nachträglich auf Hardware-Ebene neu programmiert werden könnten, um – ähnlich wie die Neuronennetzwerke im menschlichen Gehirn – neue Funktionen zu lernen.

Nanodraht-Schalter lässt sich von n- auf p-Transistor umpolen

Statt – wie bisher üblich – Minischalter unterschiedlicher Bauweise und Größe (sogenannte n- und p-Transistoren für den Elektronen- bzw. Elektronenloch-Transport im Schalkreis = CMOS-Technologie) nebeneinander zu stapeln, haben die Wissenschaftler des „Namlabs“ und des Exzellenzentrums für fortgeschrittene Elektronik (CfAE) der TU Dresden einen universellen und sehr kompakten Transistor konstruiert, der durch elektrische Signale so umgeschaltet werden kann, dass er die Rolle beider traditionellen Bauarten übernimmt. Vorteil: Auf entsprechend konstruierten Chips könnte man mehr Bauelemente als bisher unterbringen.

Chip-Hardware elektrisch veränderbar

„Auf einen Computer können Sie zwar neue Programme aufspielen, die Hardware selbst ist aber nicht mehr veränderbar, wenn ein Schaltkreis die Fabrik verlässt“, betont Namlab-Wissenschaftschef Prof. Thomas Mikolajick. Mit Blick darauf, dass es in den nächsten zehn Jahren immer schwieriger werde, Chipstrukturen weiter zu miniaturisieren, die Kunden aber nach immer besseren Elektronikgeräten ruft, müsse man beim Schaltkreis-Entwurf wohl umdenken. Denn durch die Arbeitsteilung der Transistoren in heutigen Computerchips ist oft nur ein kleiner Teil der Minischalter gleichzeitig beschäftigt, während die anderen Transistorsorten auf neue Aufgaben warten.

„Meine Vision ist es daher, Schaltkreise zu entwickeln, die sich im Nachhinein funktional durch elektrische Signale verändern lassen“, sagt der Professor. Der nun vorgestellte Universaltransistor sei ein erster Schritt dahin – und seines Wissens weltweit einmalig. Bei dessen Konstruktion setzten die Dresdner Forscher quasi eindimensionale Silizium-Nanodrähte ein, aus denen Elektronen nicht ausbrechen können – damit sind sehr präzise Schalterkonstruktionen möglich.

Am Einsatz von Silizium-Nanodrähten forschen die großen Halbleiterhersteller weltweit bereits seit geraumer Zeit. Die konkreten Schaltkreise lassen bisher jedoch noch auf sich warten.

Nanodrähte sollen auch Sensoren und Akkus verbessern

Mikolajick sieht für die Nanodrähte allerdings auch noch andere Einsatzfelder, zum Beispiel bei der Konstruktion effektiverer Sensoren und leistungsfähigerer Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos. „Da könnte ich mir schon in naher Zukunft einen Praxiseinsatz vorstellen.“ Heiko Weckbrodt

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