Ein Forschungsteam der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) hat einen neuartigen Tunnel-Feldeffekttransistor (TFET) entwickelt, der die langjährige physikalische Barriere der sogenannten „Boltzmann-Grenze“ durchbricht – ein bedeutender Fortschritt für die Mikroelektronik. Der in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Durchbruch könnte energieeffizientes Computing und die Entwicklung von KI-Chips der nächsten Generation neu gestalten.

Konventionelle Transistoren, die Grundbausteine integrierter Schaltungen, nutzen zum Ein- und Ausschalten thermische Emission. Bei Raumtemperatur erfordert dieser Prozess eine Mindest-Gatespannung von 60 Millivolt (mV) – eine durch die Boltzmann-Grenze gesetzte Beschränkung, die weitere Miniaturisierung und Effizienzgewinne in der Hochleistungselektronik behindert hat. Das PolyU-Team unter Leitung von Prof. Jianhua Hao, Leiter des Departements für Physik und Materialien und Chair Professor of Materials Physics and Devices, umging diese Grenze mithilfe des Quantentunnelns.

Das Quantentunneln ermöglicht es Ladungsträgern, eine Energieschwelle zu durchdringen, die nach klassischer Physik unüberwindbar wäre. Durch die gezielte Konstruktion einer Heterostruktur aus 2D-Bismut- und Indiumselenid-Schichten verwandelte das Team das normalerweise semimetallische Bismut in einen Halbleiter. Diese strukturelle Veränderung ermöglicht ein effizientes Quantentunneln der Ladungsträger in das Indiumselenid und erzeugt einen Transistor mit Subthreshold-Swing-Werten (SS), die deutlich unter der Grenze von 60 mV pro Dekade liegen. Der Subthreshold Swing misst, wie steil ein Transistor zwischen seinem Aus- und seinem Einschaltzustand wechselt; ein steilerer Übergang bedeutet, dass für jeden Schaltvorgang weniger Spannung und damit weniger Energie benötigt wird. Die Suche nach Bauelementen, die diese Untergrenze von 60 mV/Dekade unterbieten, ist ein langjähriges Ziel des Fachgebiets, wobei TFETs weltweit zu den führenden Kandidaten zählen – neben anderen Steep-Slope-Ansätzen wie Transistoren mit negativer Kapazität.

Der neue TFET arbeitet bei Raumtemperatur auf Siliziumsubstraten – ein entscheidender praktischer Vorteil für die Integration in bestehende Fertigungsprozesse. Er benötigt lediglich einen Gatespannungsbereich von 160 mV, verglichen mit den 800 mV, die konventionelle Bauelemente benötigen. Diese drastische Verringerung der Spannungsanforderungen führt zu einem deutlich geringeren Stromverbrauch – ein entscheidender Faktor für energieeffizientes Computing und für KI-Technologie, die enorme Rechenleistung erfordert. Da die Schaltenergie von Transistoren mit der Spannung skaliert, zählt die Absenkung der Betriebsspannungen zu den direktesten Hebeln zur Reduzierung des Energiebedarfs von Prozessoren – ein zunehmend drängendes Anliegen, da der Rechen- und Energiebedarf von KI-Training und Inferenz weiter wächst.

Eine der größten Herausforderungen bei früheren experimentellen TFETs bestand darin, einen hohen Ausgangsstrom bei gleichzeitig hohem Ein/Aus-Stromverhältnis zu erzielen. Das PolyU-Bauelement überwindet diese Hürde und liefert sowohl einen hohen Ausgangsstrom als auch ein außergewöhnliches Ein/Aus-Schaltverhältnis. Diese Leistung ermöglicht es dem Transistor, mehrere nachgeschaltete Logikgatter anzutreiben, und verringert Signalverzögerungen in Schaltungen, wodurch er für praktische integrierte Schaltungen geeignet ist.

Prof. Hao betonte die Bedeutung der Arbeit: „Durch den Einsatz des Quantentunnelns durchbricht unser TFET diese Grenze und ebnet den Weg für leistungsstarke integrierte Schaltungen mit extrem niedrigem Verbrauch, die für kommende KI-Chips und fortschrittliche Halbleiteranwendungen unerlässlich sind.“

Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit der National University of Singapore, der Hong Kong University of Science and Technology, der Peking-Universität und der Singapore University of Technology and Design durchgeführt.

Diese Entwicklung hat weitreichende Bedeutung für die Zukunft der Elektronik. Da die Halbleiterindustrie sich den physikalischen Grenzen der konventionellen MOSFET-Technologie nähert, bieten innovative Ansätze wie Quanten-Tunnel-TFETs einen gangbaren Weg nach vorn. Der Betrieb bei niedrigeren Spannungen ohne Leistungseinbußen könnte effizientere Rechenzentren, längere Akkulaufzeiten in Mobilgeräten und leistungsfähigere KI-Systeme mit geringerem Energieverbrauch ermöglichen. Die erfolgreiche Demonstration der Technologie auf Siliziumsubstraten deutet auf einen reibungsloseren Übergang von der Forschung zur kommerziellen Anwendung hin, wobei der Schritt vom Laborversuch zur Serienfertigung in der Regel weitere Entwicklungsarbeit bei Materialqualität, Bauelement-Gleichmäßigkeit und großflächiger Prozessintegration erfordert.

Quelle: Citybuzz