Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein Verfahren entwickelt, Transistoren, die nur drei Atomlagen dick sind, direkt auf Silizium-Chips wachsen zu lassen. Das erhöht die Transistordichte und damit die Leistung der Bauteile. Das ist wichtig für neue Anwendungen auf Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) wie Chatbots, die natürliche menschliche Sprache erzeugen.
Der Durchbruch ist mit einem kombinierten Hoch- und Niedertemperaturverfahren gelungen, das die Chips, auf denen die Nanotransistoren wachsen, nicht beschädigt. Bisher waren für die Herstellung derartiger Strukturen Temperaturen von mindestens 600 Grad Celsius nötig. Als Material hat MIT-Doktorand Jiadi Zhu ein sogenanntes Übergangsmetall-Dichalkogenid ausgewählt, ein vor noch nicht allzu langer Zeit entdecktes Halbleitermaterial. Dessen bekanntester Vertreter ist Molybdändisulfid. Der Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er sich, ähnlich wie Graphen, zu Folien verarbeiten lässt, die nur wenige Atomlagen dick sind. Sie werden als 2D-Materialien bezeichnet.
Um die Vorteile einer Kombination aus Siliziumschaltung und Nanotransistoren nutzen zu können, wurden Letztere mit Hochtemperaturverfahren gesondert hergestellt und nachträglich mit der Schaltung kombiniert. Dabei haben sich Unregelmässigkeiten eingestellt, die die Leistung der damit ausgestatteten Geräte beeinträchtigen. Bei dem neuen Verfahren wächst eine sehr gleichmässige Schicht auf der gesamten Fläche eines Acht-Zoll-Wafers. Das dauert weniger als eine Stunde. Bisherige Verfahren dauern nicht selten einen ganzen Tag.
Molybdändisulfid ist flexibel, transparent und weist starke elektronische und photonische Eigenschaften auf, die es ideal für einen Transistor machen. Es besteht aus einer einatomigen Molybdänschicht, die von zwei Sulfidatomen umschlossen wird. In einem Verfahren, das als metallorganische chemische Gasphasenabscheidung bezeichnet wird, lassen sich daraus 2D-Folien herstellen, allerdings bei einer Temperatur von mehr als 550 Grad Celsius, zu viel für Silizium-Chips. Zhu und seine Kollegen haben das Problem mit einem Zwei-Kammer-Ofen gelöst.
Im heissen Teil verdampfen die Ausgangsmaterialien, Verbindungen von Molybdän und Schwefel. Diesen Dampf leiten die Forscher in die kältere Kammer, in der sich der Silizium-Schaltkreis befindet. Dort setzt sich der Dampf ab - ähnlich wie ein Spiegel im Badezimmer beim Duschen beschlägt - und bildet die erwünschten Transistoren.
