EU-Projekt »Ions4Set« Helmholtz-Zentrum koordiniert Arbeit an Einzelelektronen-Transistor

Schematischer Aufbau eines neuartigen Einzelelektronen-Transistors nach dem »Gate-all-around«-Prinzip: In einer Nanosäule umschließt eine isolierende Schicht den zentralen Quantenpunkt.
Schematischer Aufbau eines neuartigen Einzelelektronen-Transistors nach dem »Gate-all-around«-Prinzip: In einer Nanosäule umschließt eine isolierende Schicht den zentralen Quantenpunkt.

Gerade das Internet der Dinge mit seinen zig Milliarden Knoten benötigt extrem stromsparende Schaltkreise. Der Idealfall wären Transistoren, die Informationen mit nur einem einzigen Elektron schalten können. Das ist das Ziel des auf vier Jahre angelegten EU-Forschungsprojekts »Ions4Set«.

Das »Internet der Dinge« (IoT) 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 Feldeffekttransistoren verbrauchen Transistoren, die Informationen mit nur einem einzigen Elektron schalten können. Diese neuartigen elektronischen Schalter funktionieren heute jedoch noch nicht bei Raumtemperatur. Zudem sind sie nicht kompatibel 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, koordiniert vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (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 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 Feldeffekttransistoren (FET) darstellen. Allerdings funktionieren diese derzeit nur bei tiefen Temperaturen und sind zudem auch nicht mit CMOS-Prozessen kompatibel. Die Computerchips, die all unsere Laptops und Smartphones steuern, basieren auf dieser von allen großen Mikroelektronik-Firmen genutzten Technik.

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 Feldeffekttransistoren 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.

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 Siliziumatomen, 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 nm bis 3 nm betragen. Solche Anforderungen konnte die Nanoelektronik bisher nicht umsetzen.

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Einzelelektronen-Transistor

Helmholtz-Zentrum koordiniert EU-Projekt »Ions4Set«