Fortschritt auf dem Weg zu Germanium-Transistoren

Die Miniaturisierung bei Silizium dürfte bald ausgereizt sein, so dass die Chipindustrie dringend neue Konzepte braucht. Forscher haben jetzt die erste komplexe Schaltung mit dem Alternativmaterial Germanium vorgestellt.

Forscher der Purdue University haben bei der Konferenz International Electron Devices Meeting die ersten komplexen Schaltkreise auf der Grundlage von Germanium vorgestellt. Das Material ist eine viel versprechende Alternative zum bisher wichtigsten Halbleitermaterial Silizium, bei dem allmählich die physikalischen Grenzen erreicht werden.

Ein Umstieg von Silizium auf Germanium hätte eine gewisse Ironie: Der erste Transistor, entwickelt 1947 in den Bell Labs, bestand aus Germanium, das im Periodensystem eine Stufe unter Silizium steht. Damals fiel die Wahl auf Germanium, weil es Ladungen sehr schnell transportiert, was für Transistoren entscheidend ist. Beim Versuch, integrierte Schaltkreise zu schaffen und sie im Großmaßstab zu produzieren, erwies sich Silizium jedoch als besser geeignet.

Mittlerweile aber stoßen die Chiphersteller bei der immer weiter getriebenen Miniaturisierung von Silizium zunehmend auf Probleme, und Germanium erlebt eine Renaissance. Die jetzt vom Purdue-Ingenieur Peide Ye und Kollegen vorgestellten Schaltkreise lassen erwarten, dass das Material in einigen Jahren bereit für eine Kommerzialisierung sein könnte.

Die kleinsten Transistoren von heute haben nur noch einen Durchmesser von 14 Nanometern, und sie sind unglaublich eng aneinander untergebracht. Wie die Halbleiterbranche feststellt, führt jede weitere Verkleinerung zu einer Reihe von Problemen. In ungefähr einem Jahrzehnt dürfte Silizium endgültig ausgereizt sein, prognostizierte Mark Bohr, Senior Fellow bei Intel, auf der Konferenz. „Allgemein bin ich sehr begeistert für jede neue Idee“, sagte er.

Mit seinen überlegenen elektrischen Eigenschaften versprach Germanium schon immer schnellere Schaltungen als Silizium. Ingenieuren gelang es jedoch zunächst nicht, es für kompakte, stromeffiziente Schaltkreise zu verwenden, wie sie mit der heute verbreiteten CMOS-Technologie (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) gefertigt werden.

CMOS-Schaltkreise arbeiten mit Transistoren, die negative Ladungen leiten, bezeichnet als nFETs, und mit Transistoren, die positive Ladungen leiten, namens pFETs.

„pFETs aus Germanium sind kein Problem“, sagt Krishna Saraswat, Elektrotechniker an der Standford University, der an Yes Projekt nicht beteiligt ist. Schwierigkeiten machten dagegen die nFETs. Yes Gruppe hat jetzt jedoch ein neues Design für Germanium-nFETs gefunden, das ihre Leistung drastisch verbessert.

Saraswat hatte selbst mit dem wiedererwachenden Interesse an Germanium zu tun: 2002 veröffentlichte er den ersten Fachaufsatz über hochleistungsfähige Germanium-Transistoren, zwei- bis dreimal besser als ihre Silizium-Pendants. „Die grundlegende Forschung ist abgeschlossen, jetzt geht es um grundlegende Ingenieursfragen“, sagt er.

Andere alternative Materialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen oder Mischungen aus mehreren Elementen hätten ebenfalls Potenzial, Silizium abzulösen. Für die Chipindustrie wäre es jedoch schwieriger, sich auf den Umgang mit ihnen einzustellen. Germanium dagegen wird in Silizium-pFETs bereits eingesetzt. „Es ist auf jeden Fall einfacher, wenn man für Halbleiter ein Element wie Silizium oder Germanium verwenden kann“, sagt Xiuling Li, ein Ingenieur an der University of Illinois in Urbana-Champaign.

(sma)