Neuartiger Transistor schaltet mit Piezokristallen

Siliziumtransistoren sind die Taktgeber unserer Zeit. Bis zu sieben Milliarden ballen sich heute auf Multikernprozessoren. Diese Zahl könnte sich weiterhin alle zwei Jahre gemäß dem Moore’schen Gesetz verdoppeln. Doch bei den notwendigen Schaltspannungen von knapp einem Volt sind die physikalischen Grenzen erreicht. Um dennoch sparsamere Schaltkreise zu entwickeln, suchen Forscher weltweit nach neuen Transistorkonzepten für die Post-Silizium-Ära. In winzigen Piezokristallen sehen Wissenschaftler nun eine geeignete Alternative. Über erste Prototypen völlig neuartiger, piezoelektronischer Transistoren, kurz PET genannt, berichten sie in den Fachzeitschriften „Nanotechnology“ und „Applied Physics Letters“.

Links ein Schaltkreis, der rechts mit einem Schaubild aus zwei verschieden farbigen Balken verbunden ist.
Piezoelektronischer Transistor

„Mit der herkömmlichen Technologie können Schaltspannungen und Strombedarf nicht mehr weiter reduziert werden“, bringen es Glenn Martyna und seine Kollegen vom IBM Watson Research Center in Yorktown Heights auf den Punkt. Dieses Problem könnten die piezoelektrischen Kristalle lösen, die Silizium im Transistor ersetzen sollen. Der neuartige Schaltprozess hat dabei nichts mehr mit dem herkömmlichen Fluss der Elektronen durch einen Halbleiter gemeinsam. Piezoelektrische Module verknüpfen vielmehr elektrische mit mechanischen Eigenschaften. So dehnen sie sich unter Spannung aus oder verändern ihre Leitfähigkeit, wenn sie zusammengedrückt werden.

Diese beiden Effekte nutzten die Forscher in ihren ersten PET-Prototypen aus. Sie ordneten dazu jeweils zwei piezoelektrische Elemente in der Größenordnung von wenigen Mikrometern in einer Transistor-ähnlichen Struktur an. Dabei nutzten sie Materialien mit exotischen Namen wie Bleimanganniobat, Bleititanat oder Samariumselenid, die sie zwischen mehrere Kontaktelektroden miteinander verknüpften. Ein erster Spannungspuls lud nun einen Piezokondensator auf, der sich über den piezoelektrischen Effekt ein wenig ausdehnte. Dadurch wurde die darüber liegende Komponente, ein sogenannter Piezowiderstand, zusammengedrückt. Dank dieses Drucks veränderte der Piezowiderstand seine elektrischen Eigenschaften und wandelte sich vom Isolator zum elektrischen Leiter. Die Folge: Ein elektrischer Strom konnte zwischen angelegten Elektroden fließen. Ähnlich wie bei einem herkömmlichen Siliziumtransistor konnte so mit einem kleinen Steuerstrompuls ein größerer Stromfluss geschaltet werden.

Für diesen Schaltvorgang reichten Spannungspulse von weniger als 200 Millivolt aus. Das ist ein Bruchteil der in Siliziumtransistoren benötigten Spannung. Die Ausdehnung des Piezokondensators erfolgte dabei so schnell, dass prinzipiell Schaltraten von einigen Gigahertz möglich waren. Ausgehend von ihren ersten praktischen Erfahrungen, simulierten Glenn Martyna und Kollegen weitere PET-Module für verschiedene elektronische Anwendungen. Dafür entwarfen sie verschiedene Transistorarchitekturen mit Strukturen in der Größenordnung zwischen drei und einigen hundert Nanometern. Für hoch integrierte Schaltkreise wie etwa in Prozessoren könnten die PETs mit geringen Spannungen von 115 Millivolt mit einer Frequenz von acht Gigahertz geschaltet werden. Interessant wären die piezoelektronischen Transistoren auch für die weitere Entwicklung von Leistungselektronik, die beispielsweise für den Betrieb von Stromgeneratoren oder Elektroautos von zentraler Bedeutung ist.

Trotz erster Erfolge ist der piezoelektronische Transistor von einer Marktreife noch weit entfernt. Nach ersten Prototypen müssten nun weitere Module entwickelt werden, die die viel versprechenden Simulationen bestätigen könnten. Danach stünde die langwierige Entwicklung von schnellen und möglichst günstigen Produktionsprozessen an. Dabei könnten die bereits gewonnenen Erfahrungen mit ausgeklügelten Lithographie-Verfahren der Silizium-Technologie einfließen. Sollten alle diese Hürden überwunden werden, lockt eine weitaus sparsamere Schalttechnik als heute. Der Strombedarf für Elektronik, der heute bei gut zehn Prozent der globalen Stromproduktion rangiert, ließe sich dann auch bei zunehmender Verbreitung elektronischer Datenverarbeitung zumindest konstant halten.