Stromsparende Minicomputer für das Internet der Dinge

  • 05. February 2016

Einzelelektronen-Transistoren als stromsparende Alter­native zu den üblichen Feld­effekt-Tran­sis­toren.

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. Diese neu­artigen elektro­nischen Schalter funktio­nieren bislang jedoch noch nicht bei Raum­temperatur. Zudem sind sie nicht pass­fähig zu den gängigen Her­stellungs­prozessen in der Mikro­elek­tronik. Das wollen Wissen­schaftler im Rahmen des EU-For­schungs­­pro­jekts „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 koordiniert.

SET

Abb.: Schematischer Aufbau eines neu­ar­ti­gen Einzel­elek­tronen-Tran­sis­tors nach dem "gate-all-around"-Prin­zip: In einer Nano­säule um­schließt eine iso­lie­rende Schicht den zentralen Quanten­punkt. (Bild: HZDR)

„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 Projekt­koordinator Johannes von Borany. „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 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.

Ein Einzelelektronen-Transistor schaltet Strom durch ein einziges Elektron. Zentraler Bestand­teil des neu­artigen SET ist ein Quanten­punkt, bestehend aus einigen hundert Silizium-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 fünf Nano­meter 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 zwei bis drei Nano­meter betragen. Solche Anfor­derungen konnte die Nano-Elek­tronik bisher nicht umsetzen.

„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 Karl-Heinz Heinig, Initiator des EU-Projekts. „Wir stellen rund zwanzig Nano­meter schlanke Säulen aus Silizium her, in die eine sechs Nano­meter dünne Scheibe aus dem Isolator Silizium­dioxid einge­bettet ist. Durch den Beschuss der Nano-Säule mit schnellen geladenen Teilchen werden Silizium-Atome in den Isolator hinein­gestoßen. Erhitzt man die Strukturen an­schließend stark, finden sich die Atome in der Mitte der isolie­renden Scheibe zu einem einzelnen Silizium-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 Unter­nehmen der Halb­leiter­branche zusammen­getan.

Während CEA-Leti, ein französisches Forschungs­institut für Mikro­elektronik, mit der not­wendigen Präzi­sion die Nano-Säulen herstellt, soll das spanische Mikroelektronik-Zentrum in Barcelona 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 neben vielen SET-Säulen einige FET-Säulen ent­halten, damit diese die Ergeb­nisse der SET-Opera­tionen an andere Chips oder Geräte weiter­geben können

„Wir sind überzeugt, dass wir das neue Projekt zum Erfolg führen werden“, ist Heinig sicher. „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 Heinig.

HZDR / RK

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