Zweidimensionale Halbleiter wie Molybdändisulfid (MoS2) gelten seit Jahren als aussichtsreiche Kandidaten für Transistoren jenseits der klassischen Silizium-Skalierung, da ihre atomar dünne Struktur elektrostatische Kontrolle auch bei extrem kurzen Kanällen erlaubt. Ein Team aus Wissenschaftlern der Carnegie Mellon University, der University of Florida, des MIT sowie der Texas A&M University hat nun monolagige MoS2-Transistoren mit physikalischen Kanallängen unter 5 Nanometern im Wafermaßstab gefertigt. Bemerkenswert ist dabei, dass die Bauelemente eine Subthreshold Swing von 88 mV/dec erreichen und damit trotz der extremen Miniaturisierung eine Schaltcharakteristik zeigen, die die theoretische Grenze konventioneller Silizium-MOSFET1. metal-oxide semiconductor field effect transistorSpannungsgesteuerter Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate; Grundbaustein moderner integrierter Schaltungen.2. metal-oxide-semiconductor field-effect transistorMOSFET ist ein standardisierter Feldeffekttransistor für Schalt- und Verstärkeranwendungen.s bei Raumtemperatur unterschreitet.
Die Herausforderung bei derart kurzen Kanallängen liegt klassischerweise in Kurzkanaleffekten wie Drain-induzierter Barrierenabsenkung und erhöhten Leckströmen im Sperrzustand. Monolagige Übergangsmetalldichalkogenide wie MoS2 begegnen diesem Problem durch ihre geringe Bandlücke in Kombination mit der atomaren Dünnheit, die eine sehr effektive Gate-Kontrolle über das Kanalpotential ermöglicht, ohne dass kurzkanaltypische Störeffekte im gleichen Maß auftreten wie bei dreidimensionalen Halbleitern. Die Fertigung im Wafermaßstab ist dabei ein entscheidender Schritt, da viele frühere Demonstrationen von 2D-Transistoren auf einzelne, mechanisch exfolierte Flakes beschränkt waren und damit für eine industrielle Anwendung ungeeignet blieben.
Für die Halbleiterbranche ist diese Arbeit vor allem im Kontext der Suche nach Kanalmaterialien für Technologieknoten jenseits aktueller Gate-All-Around- und CFETcomplementary field-effect transistorEine Transistorarchitektur, die NMOS und PMOS vertikal stapelt.-Architekturen relevant, wo Silizium und selbst Germanium an physikalische Grenzen stoßen. Auch wenn der Weg von einem Labordemonstrator zu einer produktionsreifen Integration in bestehende CMOS1. complementary metal-oxide semiconductorSchaltungstechnik mit sich ergänzenden n- und p-Kanal-MOS-Transistoren, die besonders wenig statische Leistung benötigt.2. complementary metal-oxide-semiconductorCMOS ist eine grundlegende Halbleitertechnologie für digitale und analoge Schaltungen.-Prozessflüsse noch weit ist – etwa hinsichtlich Kontaktwiderständen, Wafer-Uniformität und Integration mit Interconnects – liefert die Arbeit einen wichtigen experimentellen Beleg dafür, dass 2D-Materialien das Potenzial haben, die Skalierung von Transistoren über die Grenzen der Siliziumtechnologie hinaus fortzusetzen.