Silizium ist der König der Halbleitertechnologie, die Smartphones, Computern, Elektrofahrzeugen und vielem mehr zugrunde liegt. Doch laut einem Forscherteam der Pennsylvania State University könnte seine Krone bald bröckeln. Als weltweit erste verwendeten sie zweidimensionale (2D) Materialien, die im Gegensatz zu Silizium nur ein Atom dick sind und in dieser Größenordnung ihre Eigenschaften behalten, um einen Computer zu entwickeln, der einfache Operationen ausführen kann.
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Krishnendu Mukhopadhyay/Penn State
Die heute (11. Juni) in Nature veröffentlichte Entwicklung stellt einen großen Schritt hin zur Realisierung dünnerer, schnellerer und energieeffizienterer Elektronik dar, so die Forscher. Sie entwickelten einen CMOS-Computer (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) – die Technologie, die das Herzstück fast aller modernen elektronischen Geräte bildet – ohne Silizium. Stattdessen verwendeten sie zwei verschiedene 2D-Materialien, um die beiden Transistortypen zu entwickeln, die zur Steuerung des elektrischen Stromflusses in CMOS-Computern benötigt werden: Molybdändisulfid für n-Typ-Transistoren und Wolframdiselenid für p-Typ-Transistoren.
Das Team nutzte die metallorganische Gasphasenabscheidung (MOCVD) – ein Herstellungsverfahren, bei dem Inhaltsstoffe verdampft, eine chemische Reaktion ausgelöst und die Produkte auf einem Substrat abgeschieden werden –, um große Schichten aus Molybdändisulfid und Wolframdiselenid zu erzeugen und über 1.000 Transistoren jedes Typs herzustellen. Durch sorgfältige Abstimmung der Herstellungs- und Nachbearbeitungsschritte konnten sie die Schwellenspannungen sowohl von n- als auch von p-Typ-Transistoren anpassen und so voll funktionsfähige CMOS-Logikschaltungen bauen.
„Unser 2D-CMOS-Computer arbeitet mit niedriger Versorgungsspannung und minimalem Stromverbrauch und kann einfache logische Operationen bei Frequenzen von bis zu 25 Kilohertz ausführen“, sagte der Erstautor Subir Ghosh, ein Doktorand, der unter Das‘ Mentorschaft einen Abschluss in Ingenieurwissenschaften und Mechanik anstrebt.
Ghosh merkte an, dass die Betriebsfrequenz im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-CMOS-Schaltungen niedrig sei, ihr Computer – bekannt als Ein-Befehlssatz-Computer – aber dennoch einfache logische Operationen ausführen könne.
