Silizium dient seit Jahrzehnten als grundlegendes Material der Halbleiterindustrie, nähert sich jedoch rasch seinen physikalischen Grenzen. Da Transistorabmessungen in den atomaren Bereich schrumpfen, stehen siliziumbasierte Designs vor grundlegenden Einschränkungen, die eine weitere Miniaturisierung gefährden – und mit der weltweit stark steigenden Nachfrage nach Rechenleistung infolge der Ausweitung von AI-Workloads und dem Ausbau von Rechenzentren hat sich der Druck, einen tragfähigen Nachfolgewerkstoff zu finden, in der gesamten Branche verschärft. Ein neu berichteter Fortschritt von TSMC und der National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) weist auf einen möglichen Weg über diese Grenzen hinaus.

Das Forschungsteam stellte einen Top-Gate-Transistor aus einer Monolage Molybdändisulfid (MoS₂) her, der eine epitaktische Grenzflächenschicht von lediglich 0,42 Nanometern Dicke aufweist. Zum Vergleich: Ein einzelner Strang menschlicher DNA ist etwa 2,5 Nanometer breit, womit diese Schicht ungefähr ein Sechstel dieser Breite misst.

Umgehung von Elektronenstreuung und Leckströmen

Zwei praktische Hindernisse haben die Entwicklung funktionsfähiger 2D-Transistoren lange behindert: Elektronenstreuung, bei der Ladungsträger an Unvollkommenheiten der Materialgrenzfläche abgelenkt werden, und Leckstrom, bei dem Strom durch unbeabsichtigte Pfade fließt. Das TSMC–NYCU-Team begegnete beiden Problemen, indem es eine ultradünne epitaktische Aluminiumschicht auf eine durch chemische Gasphasenabscheidung gewachsene MoS₂-Monolage aufbrachte. Anschließend oxidierte das Team dieses Aluminium, um einen Aluminiumoxid-(Al₂O₃)-Puffer zu bilden.

Auf diesen Puffer applizierten die Forscher ein High-κ-Hafniumoxid-Gatedielektrikum. Der kombinierte Dielektrikum-Stack erreichte eine äquivalente Oxiddicke von etwa 1 Nanometer – ein Wert, der weithin als kritischer Benchmark für Halbleiterbauelemente der nächsten Generation gilt.

Die hergestellten Transistoren wiesen einen geringen Leckstrom und eine minimale Hysterese auf – das Phänomen, bei dem der Ausgang eines Bauelements hinter dem Eingangssignal zurückbleibt. Bauelemente mit Kanallängen von rund 100 Nanometern erreichten eine maximale Transkonduktanz von 0,45 mS/μm. Die Transkonduktanz – das Maß dafür, wie effizient ein Transistor Spannungsänderungen in Stromänderungen umwandelt – ist ein zentraler Leistungsindikator, wobei höhere Werte eine bessere Leistung signalisieren.

Die Ergebnisse wurden in Nature Electronics veröffentlicht. Die Forschung wurde von Dr. Iuliana Radu von TSMC Corporate Research geleitet, gemeinsam mit den NYCU-Professoren Wen-Hao Chang und Tsung-En Lee.

Warum 2D-Materialien wichtig sind

Zweidimensionale Materialien wie MoS₂ stellen eine vielversprechende Alternative dar, da die Skalierung von Silizium an ihre Grenzen stößt. Die International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), das Gremium, das die technologische Ausrichtung der Halbleiterbranche prognostiziert, hat 2D-Kanalmaterialien als führende Kandidaten für Transistorknoten jenseits der 2-Nanometer-Generation identifiziert. Eine MoS₂-Monolage ist von Natur aus etwa 0,7 Nanometer dick, was ihr eine inhärent strengere elektrostatische Kontrolle bei extrem kleinen Abmessungen verleiht, als Silizium bieten kann. Auch Intel und Samsung haben Forschungsprogramme für 2D-Kanaltransistoren öffentlich vorgestellt, was unterstreicht, dass es sich um eine branchenweite Anstrengung und nicht um das Bestreben eines einzelnen Unternehmens handelt.

Weg zur industriellen Anwendung

Entscheidend ist, dass das MoS₂ in dieser Studie durch chemische Gasphasenabscheidung aufgewachsen wurde – ein Verfahren, das bereits im industriellen Maßstab eingesetzt wird. Auch die Schritte zur epitaktischen Aluminiumabscheidung und Oxidation erfordern keine grundsätzlich neuen Kategorien von Fertigungsausrüstung, was eine spätere Integration in die Fabrikation erleichtern könnte.

Diese Arbeit steht im Einklang mit dem breiteren Bestreben der Branche, 2D-Transistoren in die Massenfertigung zu überführen. Im Juni 2026 kündigten TSMC, imec und ASML gemeinsame Arbeiten zur Integration von 2D-Transistoren auf 300-mm-Wafern an – ein Signal, dass die führenden Akteure der Halbleiterinfrastruktur diese Materialklasse als ernsthaften Kandidaten für künftige Prozessknoten betrachten.