Wissenschaftler des Nanoelectronic Materials Laboratory (NaMLab gGmbH) haben den weltweit ersten Universaltransistor demonstriert, der gleiches Verhalten für Elektronen- (n) und Löcherleitung (p) aufweist. Die Funktionsweise wurde anhand einer energieeffizienten CMOS-Schaltung entlang eines einzelnen Nanodrahtes nachgewiesen. Ein gezieltes Umschalten der Ladungsträgerart einzelner Transistoren ermöglichte dabei die unterschiedlichen Schaltungsfunktionen. Im Gegensatz zu den gegenwärtig genutzten Transistoren weisen die Universaltransistoren keine Unterschiede in der Materialauswahl, der Herstelltechnologie und der Größe auf, um beide Leitungstypen zu realisieren. Die neue Technologie könnte die CMOS-Technologie signifikant verändern, da sie eine komplementäre MOS-Technologie aus einem universellen Transistor ermöglicht.

Die heutige digitale Elektronik besteht zum überwiegenden Teil aus komplementären Schaltungen. In diesen werden n- und p-Typ Transistoren verschalten, um die statische Verlustleistung zu senken. Seit mehr als 40 Jahren werden diese beiden Transistor-Typen individuell so konstruiert, verkleinert und optimiert, dass sie gleiches und damit aneinander angepasstes elektrisches Verhalten aufweisen. Dies stellt angesichts des unterschiedlichen Verhaltens von n- und p-Leitung in Silizium eine große technologische Herausforderung dar. Beispielsweise werden diese Unterschiede durch eine größere Transistorkanalweite von einem p-Transistor im Vergleich zu einem n-Transistor ausgeglichen. Da die Transistorkanalweite bei aggressiv skalierten 3D CMOS Transistoren nicht frei veränderbar ist, wird diese Art der Anpassung zunehmend schwieriger. Der am NaMLab in Kooperation mit dem Excellenzcluster CfAED entwickelte universelle Transistor, vereint die Eigenschaften optimierter p- und n-Typ-Transistoren in einem einzigen Transistor. Die Auswahl zwischen  Elektronen- (n-Typ) oder Löcherleitung (p-Typ) jedes einzelnen Transistors erfolgt dabei durch ein elektrisches Ansteuersignal. Das sehr unterschiedliche Verhalten beider Ladungsträgerarten konnte angeglichen werden, indem ein nur 12 nm dicker Silizium-Nanodraht durch eine Hülle aus Siliziumdioxid mechanisch verspannt wurde.

In der aktuellen Arbeit von André Heinzig und Walter M. Weber, die heute im Journal Nano Letters online erschienen ist, werden zum ersten Mal voll funktionsfähige Silizium-Nanodrahttransistoren mit gleichem Verhalten für Elektronen- und Löcherleitung gezeigt. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren so zum ersten Mal vollkomplementäre rekonfigurierbare Schaltungen. Diese ermöglichen die Realisierung von logischen Funktionen mit einer geringeren Anzahl von Transistoren im Vergleich zu konventionellen CMOS-Schaltungen.

Die Arbeiten wurden durch die  Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen (DFG) des Projektes ReproNano gefördert und sind in Zusammenarbeit mit dem DFG Exzellenzcluster „Center for Advancing Electronics Dresden (CfAED)“ durchgeführt worden. NaMLab wird eine mögliche Umsetzung in zukünftige Produkte sowie die weiteren R&D Aktivitäten mit seinen Industriepartnern diskutieren.

Die angesprochene Publikation ist im Internet zu finden unter: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl401826u

Über NaMLab
Die „Nanoelectronics Materials Laboratory gGmbH“ (NaMLab) wurde im July 2006 gegründet. NaMLab ist ein Tochterunternehmen und An-Institut der TU Dresden. NaMLab betreibt am Campus der TU Dresden ein Forschungsgebäude mit vier Laborräumen, einem Reinraumlabor und einem Bürobereich für über 27 Wissenschaftler und sonstige Angestellte. NaMLab betreibt Materialforschung zur Anwendung in nanoelektronischen Bauelementen und arbeitet eng mit den Instituten der TU Dresden zusammen.