Ein einzelner 2D-Kristall wird im Labor zum Transistor

Seit mehr als zwei Jahrzehnten hoffen Forscher, dass atomar dünne Halbleiter das Silizium ablösen könnten, wenn die Bauelemente immer kleiner werden. Das Hindernis lag selten im Halbleiter selbst. Es lag an allem, was ihn umgibt. Am Institute for Basic Science (IBS) hat ein Team unter Leitung von Jo Moon-Ho, dem Direktor des Center for Van der Waals Quantum Solids, nun einen Transistor aus einem einzigen Schichtkristall gebaut, indem ausgewählte Schichten in den Isolator und die Kontakte umgewandelt wurden, die das Bauteil benötigt. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift Science erschienen.

Ein Transistor braucht drei verschiedene Materialien: einen Halbleiter, der den Strom führt, eine Isolierschicht, die ihn steuert, und Metallkontakte, über die der Strom ein- und austritt. Die Oberfläche eines 2D-Halbleiters bietet nur wenige Stellen, an denen sich andere Materialien anlagern können. Deshalb lässt sich eine gleichmäßige Isolierschicht nur schwer aufbringen, und ein direkt aufgedampftes Metall kann die dünne Schicht beschädigen oder Barrieren erzeugen, die die Leistung mindern. Separate 2D-Materialien einzeln abzuziehen und zu stapeln funktioniert im Labor, lässt sich aber auf großen Flächen kaum skalieren.

Das IBS-Team verwendete den Kristall selbst als einziges Ausgangsmaterial. Es begann mit Wolframdiselenid (WSe₂), dessen elektrisches Verhalten sich ändert, wenn einige der Atome um die Wolframschicht ersetzt werden. Die oberen Schichten wurden zu einem isolierenden Wolframoxid oxidiert, das direkt über dem Kanal liegt und als Gate-Dielektrikum dient, bei einer effektiven Dicke von unter 1 Nanometer. Andere Bereiche wurden in Wolframditellurid (WTe₂) umgewandelt, ein Halbmetall, das für die Kontakte genutzt wird, während nicht umgewandelte Bereiche ihre halbleitenden Eigenschaften behielten. Die Reaktion lässt sich nach einer gewählten Anzahl von Schichten stoppen, bei etwa 0,7 Nanometer pro WSe₂-Monolage.

In den Testbauteilen erhöhte eine Änderung der Gate-Spannung um nur 61,3 Millivolt den Strom auf das Zehnfache, nahe der theoretischen Grenze von etwa 60 Millivolt pro Dekade bei Raumtemperatur. Das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltstrom überstieg 10 Millionen. Die WTe₂-Kontakte senkten die Barriere für die Ladungsinjektion auf etwa ein Drittel der Barriere, die bei direkten Platinkontakten auftritt. Das Team baute außerdem n-Typ-Transistoren aus MoS₂ mit demselben Oxid und kombinierte p-Typ- und n-Typ-Transistoren zu einem komplementären Inverter, dem grundlegenden Baustein der digitalen Logik. Dabei zeigte sich, dass die Spannung wie erwartet invertiert wurde.

Für Chipentwickler verspricht das einen Weg zu dem, was Jo als extrem stromsparende, extrem verkleinerte und vertikal integrierte Halbleiterbauelemente bezeichnet. Den ersten Nutzen hätten Forscher im Bereich der 2D-Elektronik, denn das Verfahren umgeht den Schritt des Abziehens und Stapelns, den das Team für die Massenproduktion als ungeeignet beschreibt. Die Studie nennt weder einen Zeitplan noch ein Produktionsverfahren noch einen Test auf großer Fläche. Ihre Ergebnisse stammen von einzelnen, im Labor gefertigten Bauteilen, und ihre Umsetzung in produzierte Schaltkreise bleibt ein eigener Schritt.