Was wäre, wenn wir keine Siliziumtransistoren mehr herstellen würden?
Elektronik
Redaktion der Website für technologische Innovationen - 06.10.2025
Struktur und Mikrofotografie des Surrounding-Gate-Transistors. [Bild: Universität Tokio]
Bereit, Silizium loszuwerden?
Der Transistor gilt als eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts und ist dank seiner Fähigkeit, elektrische Signale zu verstärken oder ein- und auszuschalten, die grundlegende Komponente der Elektronik und Computertechnik.
Da die Elektronik jedoch immer kleiner wird und die Nachfrage nach immer höheren Geschwindigkeiten steigt, wird es zunehmend schwieriger, die Miniaturisierung von Transistoren aus Siliziumhalbleitern fortzusetzen.
Wir haben alle Grenzen der Mikroelektronik durchbrochen , aber die zunehmenden Schwierigkeiten der Miniaturisierung lassen Experten immer wieder auf das Ende des Mooreschen Gesetzes hinweisen.
Anlan Chen und Kollegen von der Universität Tokio in Japan schlagen eine Lösung vor, um zu verhindern, dass die Elektronik einen Wendepunkt erreicht, der zukünftige Fortschritte behindert.
Das Team verzichtete auf Silizium und entschied sich stattdessen für die Herstellung eines Transistors aus einem anderen Halbleitermaterial, Indiumgalliumoxid (InGaOx). Dieses Material lässt sich zu einem kristallinen Oxid strukturieren, dessen geordnete Atomstruktur die Elektronenbeweglichkeit fördert.
Doch das Team ging noch weiter und entwickelte für seinen Transistor eine neue Architektur, die als Gate -All- Around-Transistor (GAA) bezeichnet wird.
„Wir wollten außerdem, dass unser kristalliner Oxidtransistor eine „Surrounding Gate“-Struktur aufweist, bei der das Gate, das den Strom ein- oder ausschaltet, den Kanal umgibt, durch den der Strom fließt“, erklärte Chen. „Indem wir das Gate vollständig um den Kanal wickeln, können wir die Effizienz und Skalierbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gates steigern.“
Neues Material und neue Architektur
Das Geheimnis dieser Innovation lag, wie immer im Halbleiterbereich, in der Dotierung, also der Zugabe kleiner Mengen eines Elements zu einem anderen. In diesem Fall fügte das Team Galliummetall zu Indiumoxid hinzu, was das Material stromfreundlicher machte.
„Indiumoxid enthält Sauerstoffleerstellen, die die Ladungsträgerstreuung fördern und so die Bauteilstabilität verringern“, erklärte Professor Masaharu Kobayashi. „Wir haben Indiumoxid mit Gallium dotiert, um Sauerstoffleerstellen zu unterdrücken und so die Transistorzuverlässigkeit zu verbessern.“
Das Team nutzte die Atomlagenabscheidung, um den Kanalbereich eines Vollgate-Transistors atomlagenweise mit einem dünnen Film aus InGaOx zu beschichten. Nach der Abscheidung wurde der Film erhitzt, bis er eine für die Elektronenbeweglichkeit geeignete Kristallstruktur annahm. Dieses Verfahren ermöglichte schließlich die Herstellung eines Vollgate-„Metalloxid-gesinterten Feldeffekttransistors“ (MOSFET).
„Unser GAA-MOSFET mit einer Gallium-dotierten Indiumoxidschicht erreicht eine hohe Beweglichkeit von 44,5 cm² /Vs“, erläuterte Chen. „Entscheidend ist, dass das Bauelement eine vielversprechende Zuverlässigkeit aufweist und unter Belastung fast drei Stunden lang stabil arbeitet. Tatsächlich übertrifft unser MOSFET vergleichbare Bauelemente, die zuvor vorgestellt wurden.“
Artikel: Ein Gate-All-Around-Nanosheet-Oxid-Halbleitertransistor durch selektive Kristallisation von InGaOx zur Verbesserung von Leistung und Zuverlässigkeit
Autoren: Anlan Chen, Ki-woong Park, Kota Sakai, Sunbin Hwang, Xingyu Huang, Takuya Saraya, Toshiro Hiramoto, Takanori Takahashi, Mutsunori Uenuma, Yukiharu Uraoka, Masaharu Kobayashi Magazine: Proceedings of the 2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits
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