Subvolt-Transistoren Mit Redox-Gating zu energieeffizienterer Mikroelektronik

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Wissenschaftlern des Forschungszentrums Argonne haben mit dem Redox-Gating genannten Verfahren einen neuartigen Ansatz entwickelt, um den Ladungstransport in Halbleitern zu steuern. Er bietet Potenzial für funktionelle Halbleiter-Heterostrukturen und niedrigdimensionale Quantenmaterialien für Anwendungen in elektronischen Geräten.

Die Mikroelektronik steht aufgrund ihrer geringen Größe vor einer großen Herausforderung. Um eine Überhitzung zu vermeiden, darf sie nur einen Bruchteil des Stroms herkömmlicher Elektronik verbrauchen und muss trotzdem mit einer Spitzenleistung arbeiten.

Forschern des US-amerikanischen Forschungszentrums Argonne National Laboratory ist ein Durchbruch gelungen, der es einem neuartigen Halbleitermaterial ermöglichen könnte, genau das zu erreichen. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht wurde, schlägt das Argonne-Team eine neue Art von „Redox-Gating“-Technik vor, mit der sich die Bewegung von Elektronen in und aus einem Halbleitermaterial steuern lässt.

Der Begriff „Redox“ bezieht sich auf die nichtionische Reaktion, die eine Übertragung von Elektronen bewirkt. Mikroelektronische Geräte sind normalerweise auf einen elektrischen „Feldeffekt“ angewiesen, um den Elektronenfluss zu steuern.

In dem Experiment entwarfen die Wissenschaftler eine Schaltung, die den Elektronenfluss von einem Ende zum anderen regulieren konnte, indem sie eine Spannung an ein Material anlegten, das als eine Art Elektronentor fungierte. Erreicht die Spannung einen bestimmten Schwellenwert, etwa ein halbes Volt, werden Elektronen aus einer Redox-Quelle durch das Gate in einen Leitungskanal injiziert.

Indem die Spannung zur Veränderung des Elektronenflusses genutzt wird, funktioniert das halbleitende Bauelement wie ein Transistor, der zwischen mehr leitenden und mehr isolierenden Zuständen umschaltet.

„Die neue Redox-Gating-Strategie ermöglicht es uns, den Elektronenfluss selbst bei niedrigen Spannungen erheblich zu modulieren, was zu einer wesentlich höheren Leistungseffizienz führt“, erklärt der Materialwissenschaftler Dillon Fong. „Dies verhindert auch eine Beschädigung des Systems. Wir sehen, dass diese Materialien wiederholt ohne Leistungseinbußen betrieben werden können“.

Schaltkreise, die sich wie Synapsen verhalten

„Der Subvolt-Bereich, in dem dieses Material arbeitet, ist von enormem Interesse für Forscher, die nach Schaltkreisen suchen, die sich ähnlich verhalten wie das menschliche Gehirn, das ebenfalls mit großer Energieeffizienz arbeitet“, ergänzt Materialwissenschaftler Wei Chen.

Das Redox-Gating-Phänomen könnte auch nützlich sein, um neue Quantenmaterialien zu entwickeln, deren Phasen sich mit geringem Energieaufwand manipulieren lassen, meint Physiker Hua Zhou. Darüber hinaus könnte die Redox-Gating-Technik auch für vielseitige funktionale Halbleiter und winzige Quantenmaterialien aus nachhaltigen Elementen eingesetzt werden.

Zur Charakterisierung des Redox-Gating-Verhaltens trugen Arbeiten an der Advanced Photon Source in Argonne bei, einer Einrichtung des DOE Office of Science. Darüber hinaus wurde das Center for Nanoscale Materials von Argonne, ebenfalls eine Einrichtung des DOE Office of Science, für die Materialsynthese, die Herstellung der Bauelemente und die elektrischen Messungen der Bauelemente genutzt. (kr)

* Henning Wriedt ist freier Fachautor.

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