EU-Projekt zu Einzelelektronen-Transistor

Stromsparende Minicomputer für das „Internet der Dinge“

Das „Internet der Dinge“ wächst rapide. Ob Handy, Waschmaschine oder die Milchtüte im Kühlschrank – hiermit verbundene Minicomputer sollen Informationen verarbeiten und Daten empfangen oder senden können. Dazu wird Strom benötigt. Viel weniger Energie als die in Computern gebräuchlichen Feldeffekt-Transistoren verbrauchen Transistoren, die Informationen mit nur einem einzigen Elektron schalten können.

Das Ionenmikroskop am HZDR produziert einen ultrafein gebündelten Strahl aus Neon-Ionen. Damit lassen sich dünne Schichtstapel so modifizieren, dass sich nach einer zusätzlichen Temperaturbehandlung selbstständig Silicium-Quantenpunkte bilden. (Foto: HZDR / Oliver Killig)

Diese neuartigen elektronischen Schalter funktionieren heute jedoch noch nicht bei Raumtemperatur. Zudem sind sie nicht passfähig zu den gängigen Herstellungsprozessen in der Mikroelektronik. Das wollen Wissenschaftler im neuen EU-Forschungsprojekt „Ions4Set“ ändern. Am 1. Februar ging das auf vier Jahre angelegte Projekt mit Partnern aus fünf europäischen Ländern an den Start. Es wird vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) koordiniert.

„Milliarden kleiner Computer werden in Zukunft über das Internet oder auch lokal miteinander kommunizieren. Ein großer Hemmschuh ist derzeit aber noch der hohe Stromverbrauch“, so der Projektkoordinator Dr. Johannes von Borany vom HZDR. „Prinzipiell gibt es hier zwei Wege: Entweder man verbessert die Batterien oder man entwickelt Computerchips, die deutlich weniger Energie benötigen.“ So ist seit Jahren bekannt, dass Einzelelektronen-Transistoren eine stromsparende Alternative zu den üblichen Feldeffekt-Transistoren (FET) darstellen. Allerdings funktionieren diese derzeit nur bei tiefen Temperaturen und sind zudem auch nicht mit der CMOS-Technologie kompatibel. Die Computerchips, die all unsere Laptops und Smartphones steuern, basieren auf dieser von allen großen Mikroelektronik-Firmen genutzten Technologie.

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Ein Einzelelektronen-Transistor (Single Electron Transistor = SET) schaltet Strom durch ein einziges Elektron. Zentraler Bestandteil des neuartigen SET ist ein Quantenpunkt, bestehend aus einigen hundert Silicium-Atomen, der in einer isolierenden Schicht eingebettet ist. Diese wiederum befindet sich zwischen zwei leitfähigen Schichten. Damit ein SET bei Raumtemperatur funktioniert, muss der Quantenpunkt kleiner als 5 nm sein. Und eine zweite Anforderung muss erfüllt sein, sonst können die Elektronen den Transistor nicht passieren: Der Abstand vom Quantenpunkt zu den leitfähigen Schichten darf nicht mehr als 2 bis 3 nm betragen. Solche Anforderungen konnte die Nano-Elektronik bisher nicht umsetzen.

Selbstorganisation in Nano-Säulen
„Unser Transistor hat die Form einer Nano-Säule. Außerdem haben wir einen Mechanismus entdeckt, der dafür sorgt, dass sich die erforderlichen Quantenpunkte quasi wie von selbst bilden“, sagt Dr. Karl-Heinz Heinig, Initiator des neuen EU-Projekts. „Wir stellen rund 20 Nanometer schlanke Säulen aus Silicium her, in die eine sechs Nanometer dünne Scheibe aus dem Isolator Siliciumdioxid eingebettet ist. Durch den Beschuss der Nano-Säule mit schnellen geladenen Teilchen werden Silicium-Atome in den Isolator hineingestoßen. Erhitzt man die Strukturen anschließend stark, finden sich die Atome in der Mitte der isolierenden Scheibe zu einem einzelnen Silicium-Quantenpunkt zusammen.“ Um milliardenfach wiederholbar und zuverlässig SET-Bauteile aus Nano-Säulen herstellen zu können, haben sich im Projekt führende europäische Forschungseinrichtungen sowie die Großen der Halbleiterbranche – Globalfoundries, X-FAB, STMicroelectronics – zusammengetan.

Demonstrator mit zwei Transistoren: SET und FET ergänzen sich
Während CEA-Leti, ein französisches Forschungsinstitut für Mikroelektronik, mit der notwendigen Präzision die Nano-Säulen herstellt, soll das spanische Mikroelektronik-Zentrum in Barcelona (CSIC) den Demonstrator bauen, der den Abschluss des vierjährigen EU-Projekts bildet. Allerdings ist die Aufgabe, die sich die Forscher gestellt haben, eigentlich noch viel komplizierter. Der Demonstrator darf nicht lediglich aus Einzelelektronen-Transistoren bestehen, die bei Raumtemperatur die logischen Operationen ausführen. Daneben sind noch klassische Feldeffekt-Transistoren erforderlich, ebenfalls in Form von Nano-Säulen. Der Grund: Die stromsparenden Einzelelektronen-Transistoren verfügen über zu wenig Energie, um mit der Welt außerhalb des eigenen Chips zu interagieren. Deshalb muss der Chip, der den Siegeszug des „Internet of Things“ erleichtern soll, neben vielen SET-Säulen einige FET-Säulen enthalten, damit diese die Ergebnisse der SET-Operationen an andere Chips oder Geräte weitergeben können

Kick-off-Treffen für „Ions4Set“
Vom 1. bis 3. Februar 2016 fand am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf das erste Treffen aller am EU-Projekt beteiligten Partner statt. Neben HZDR, CEA-Leti und CSIC gehörten dazu das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen, das Institut für Mikroelektronik und Mikrosysteme IMM des italienischen CNR und die Universität Helsinki in Finnland. Die Fördersumme beträgt 4 Mio. Euro.

„Wir sind überzeugt, dass wir das neue Projekt zum Erfolg führen werden“, ist Dr. Heinig vom HZDR optimistisch. „Einerseits bauen wir auf Erkenntnissen aus einem vorigen EU-Projekt mit Computerchip-Produzenten auf, andererseits konnten wir die führenden Forschungseinrichtungen auf diesem Gebiet als Partner gewinnen.“ Und nicht zuletzt kommen die Stärken des Ionenstrahlzentrums am HZDR zum Tragen, wenn es um die zentralen Prozessschritte für die Herstellung von Einzelelektronen-Transistoren geht: eine langjährige Erfahrung in der Materialforschung, eine breite Palette von Ionenbeschleunigern sowie modernste physikalische Verfahren der Analytik. „Unsere Herstellungstechnik kann nach erfolgreichem Abschluss des Projekts von der Mikroelektronik-Industrie sehr einfach übernommen werden, da die Lösung die volle Kompatibilität mit der CMOS-Technologie gewährleistet“, betont Dr. Heinig.

Weitere Informationen:
Dr. Johannes von Borany / Dr. Karl-Heinz Heinig
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
E-Mail: j.v.borany@hzdr.de / k.h.heinig@hzdr.de

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