Südkoreanisches Team stellt Transistorbauteile durch den Austausch von Atomen in einem ultradünnen Film her

Ein Schritt von 0,7 Nanometern hin zu kleineren elektronischen Schaltern

Südkoreanische Forscher haben die zentralen Bauteile eines Transistors in einem einzigen dünnen Film hergestellt, indem sie gezielt Atome austauschten. Damit erreichten sie bei Raumtemperatur eine Stromsteuerung nahe der theoretischen Grenze herkömmlicher Transistoren. Das Verfahren funktioniert in Schichten mit einer Dicke von etwa 0,7 Nanometern und könnte den Aufbau extrem kleiner elektronischer Geräte vereinfachen.

Das Team unter der Leitung von Cho Moon-ho, Direktor des Center for Van der Waals Quantum Solids am Institute for Basic Science und Distinguished Professor an der Pohang University of Science and Technology, verwendete zunächst Wolframdiselenid. Indem die Forscher dessen Selenatome durch Sauerstoff, Schwefel oder Tellur ersetzten, erzeugten sie Bereiche, die isolieren, Strom leiten oder den Stromfluss in den Halbleiter erleichtern.

Beim entstandenen Transistor musste sich die Gate-Spannung um 61,3 Millivolt ändern, damit sich der Strom verzehnfachte. Der theoretische Mindestwert liegt bei Raumtemperatur bei etwa 60 Millivolt. Der Einschaltstrom war mehr als zehn Millionen Mal so hoch wie der Ausschaltstrom.

Die Forscher bauten außerdem eine kleine Schaltung aus vertikal gestapelten Transistoren, die ein elektrisches Signal bei 1 Volt umkehrte. Zusammengenommen verbinden die Ergebnisse die präzise Steuerung einzelner Materialschichten mit einer funktionierenden Schaltung. Die Übertragung auf die Halbleiterfertigung bleibt jedoch die nächste große Aufgabe.

Warum sich diese Materialien nur schwer zusammenfügen lassen

Ein Transistor ist ein elektrisch gesteuerter Schalter. Er benötigt einen Halbleiterkanal, durch den Strom fließt, eine Isolierschicht, über die ein Gate diesen Kanal steuern kann, und Elektroden, die das Bauteil mit dem restlichen Schaltkreis verbinden. Da jedes Teil eine andere Aufgabe erfüllt, müssen ihre Grenzflächen zuverlässig funktionieren.

Als zweidimensional bezeichnete Halbleiter bleiben auch dann brauchbar, wenn sie nur wenige Atomlagen dick sind. Ihre Oberflächen gehen jedoch nicht ohne Weiteres chemische Bindungen mit anderen Materialien ein. Deshalb lassen sie sich nur schwer gleichmäßig mit einem Isolierfilm beschichten. Werden Metallelektroden direkt angebracht, kann das außerdem die Kontaktfläche beschädigen oder einen elektrischen Widerstand erzeugen, der den Stromfluss begrenzt.

Eine weitere Möglichkeit ist, separat vorbereitete Filme an die gewünschte Stelle zu bringen und aufeinanderzustapeln. Das erhöht jedoch die Zahl der Fertigungsschritte. Das koreanische Team erzeugte stattdessen mehrere der benötigten Materialien direkt im Ausgangsfilm und verringerte so den Bedarf, unterschiedliche Filme zusammenzufügen.

Drei ausgetauschte Atome, drei unterschiedliche Aufgaben

Wolframdiselenid, als WSe2 geschrieben, besteht aus einer Lage Wolframatome zwischen Selenatomen darüber und darunter. Die Forscher beließen die Wolframatome an ihrem Platz und tauschten gezielt Selenatome aus. Die veränderten umgebenden Atome bestimmten das elektrische Verhalten der jeweiligen Bereiche.

Sauerstoff bildete Wolframoxid, einen Isolator. Schwefel bildete Wolframdisulfid, einen n-leitenden Halbleiter. Tellur bildete Wolframditellurid, ein leitfähiges Halbmetall, das am Übergang zwischen Metallelektrode und Halbleiter eingesetzt wurde.

• Nicht umgewandeltes Wolframdiselenid bildete den p-leitenden Halbleiterbereich.
• Wolframoxid sorgte für die elektrische Isolierung zur Steuerung über das Gate.
• Wolframdisulfid diente als n-leitender Halbleiter für komplementäre Bauelemente.
• Wolframditellurid erleichterte den Ladungstransport zwischen einer Elektrode und dem Halbleiter.

Die Begriffe p-leitend und n-leitend beschreiben, wie sich elektrische Ladung durch einen Halbleiter bewegt. In einem n-leitenden Material tragen Elektronen den Strom. In einem p-leitenden Material wird der Strom durch die Bewegung von Löchern beschrieben, also positiv geladenen Fehlstellen, an denen Elektronen fehlen. Für den vom Team demonstrierten komplementären Schaltkreis werden beide Typen benötigt.

Wie das Team Schicht und Ort auswählte

Über die Temperatur und den Druck des Reaktionsgases konnten die Forscher steuern, wie tief die chemischen Veränderungen in den Film eindrangen. Sie nutzten die winzigen Zwischenräume zwischen den Materialschichten als Barrieren, die die Bewegung reagierender Atome begrenzten. So konnten sie verhindern, dass sich eine Umwandlung auf die nächste Schicht ausbreitete.

Jeder kontrollierte Schritt entsprach einer Atomlage von etwa 0,7 Nanometern Dicke. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Dieser Wert bezeichnet die Dicke der umgewandelten Materialschicht. Das Herstellungsverfahren musste zudem kontrollieren, an welchen Stellen der Oberfläche die Umwandlung stattfand.

Strukturierungsmasken aus der Halbleiterfertigung ermöglichten diese zweite Art der Kontrolle. Wie eine präzise gemusterte Abdeckung geben Masken ausgewählte Bereiche frei und schützen andere. Durch die Kombination von Masken mit der Kontrolle der Reaktionstiefe konnten die Forscher an gezielt ausgewählten Stellen und in bestimmten Schichten eines einzigen Films unterschiedliche Materialien erzeugen.

Eine niedrigere Barriere für den Stromfluss

Der Kontaktbereich aus Wolframditellurid löste ein anderes Problem als das Schalten des Transistors: Ladung effizient in den Halbleiter zu leiten. Selbst ein Kanal, der gut auf sein Gate reagiert, kann schlecht funktionieren, wenn die elektrischen Anschlüsse den Ladungstransfer erschweren.

An der Verbindung zwischen Elektrode und Halbleiter maßen die Forscher eine Energiebarriere von 35,5 Millielektronenvolt. Ihren Angaben zufolge entspricht das etwa einem Drittel der Barriere bei einer direkt angebrachten Metallelektrode. Eine Energiebarriere ist das Hindernis, das Ladungsträger beim Übergang zwischen Materialien überwinden müssen.

Ein auf ein Drittel verringerter Wert entspricht im Vergleich einer Senkung um rund 67 Prozent. Die gemessene Verbesserung betrifft den Ladungstransfer am Kontakt. Der Stromverbrauch einer vollständigen Schaltung hängt außerdem von ihrer Betriebsspannung, dem Leckstrom und der Schaltaktivität ab.

Schalten nahe der Grenze bei Raumtemperatur

Der Messwert von 61,3 Millivolt beschreibt, wie steil der Transistor schaltet, wenn sich die Gate-Spannung ändert. Fachleute nennen dies die Subthreshold-Steigung: Sie gibt an, um wie viel sich die Gate-Spannung ändern muss, damit sich der Strom um den Faktor zehn ändert, während das Bauteil in den leitenden Zustand wechselt.

Ein kleinerer Wert bedeutet, dass bereits eine geringere Spannungsänderung eine starke Stromänderung bewirkt. Verglichen mit der ungefähren Grenze von 60 Millivolt für den Betrieb herkömmlicher Transistoren bei Raumtemperatur lag der Messwert nur 1,3 Millivolt beziehungsweise rund 2,2 Prozent darüber.

Das Verhältnis zwischen dem Strom im Ein- und im Aus-Zustand lag bei mehr als zehn Millionen zu eins. Dieser Wert zeigt, wie deutlich das Bauteil leitende und nichtleitende Zustände voneinander trennt. Ein geringer Strom im Aus-Zustand ist wichtig, weil Strom, der durch inaktive Transistoren fließt, Energie verschwendet.

Kontaktbarriere, Schaltverhalten und Stromverhältnis beschreiben drei miteinander verbundene Aspekte der Bauteilleistung. Der Kontakt erleichtert den Ladungseintritt, das Gate steuert den Stromfluss, und der Unterschied zwischen Ein- und Ausschaltstrom zeigt, wie wirksam der Transistor als Schalter arbeitet.

Eine Isolierung, die eine präzise Steuerung durch das Gate ermöglicht

Der Bereich aus Wolframoxid bildete die Isolierschicht. Diese Schicht muss das Gate elektrisch vom Kanal trennen und zugleich ermöglichen, dass das elektrische Feld des Gates den Strom steuert. Sie durch Umwandlung eines Teils des Ausgangsmaterials herzustellen, löst das Problem, eine gleichmäßige Beschichtung auf einem zweidimensionalen Halbleiter aufzubringen.

Nach Angaben des Teams erfüllt die Isolierung das Ziel der International Roadmap for Devices and Systems für eine äquivalente Oxiddicke von höchstens 1 Nanometer. Die äquivalente Oxiddicke, meist EOT genannt, beschreibt die elektrische Leistung eines Isolators als Dicke einer Referenzschicht aus Siliziumdioxid mit gleicher Kapazität.

Die EOT beschreibt daher das elektrische Verhalten und nicht einfach die physische Dicke des Materials. Die Forscher wurden mit einer EOT von unter 1 Nanometer zitiert; in veröffentlichten Zahlenangaben fanden sich zudem Werte von 0,3 bis 0,4 Nanometern sowie rund 1 Nanometer. Welcher Wert genau gilt, geht aus diesen Angaben nicht eindeutig hervor. Alle ordnen die Isolierung jedoch innerhalb des genannten Ziels der Roadmap ein oder an dessen Grenze.

Eine gestapelte Schaltung arbeitet mit 1 Volt

Die Forscher gingen über die Prüfung eines einzelnen Transistors hinaus und stapelten einen p-leitenden und einen n-leitenden Transistor vertikal zu einem komplementären Inverter. Ein Inverter ist eine grundlegende digitale Schaltung: Ein hoher Eingangswert erzeugt einen niedrigen Ausgangswert und ein niedriger Eingangswert einen hohen.

Die Schaltung kehrte Signale bei einer Betriebsspannung von 1 Volt um. Dafür mussten die unterschiedlichen Halbleitertypen zusammenarbeiten. So verknüpft das Verfahren zur Materialumwandlung mit einer grundlegenden Funktion der Digitaltechnik.

Der vertikale Aufbau knüpft außerdem an die Pläne des Teams für dreidimensionale integrierte Schaltungen an. Übereinander angeordnete Bauelemente ermöglichen es, mehr Schaltkreise auf derselben Fläche unterzubringen, sofern sich Materialien und Verarbeitung im gesamten Stapel kontrollieren lassen.

Cho, Direktor des IBS-Zentrums und Distinguished Professor an der POSTECH, beschrieb die Verbindung zwischen der Materialtechnik und der Herstellung von Bauelementen:

„Diese Studie verbindet eine grundlegende materialwissenschaftliche Technik zur Manipulation von Materialien auf atomarer Ebene mit moderner Halbleitertechnologie“,

Veröffentlichung und der Weg zu größeren Wafern

Die Forschungsarbeit trägt den Titel Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions. MOSFET bezeichnet eine weit verbreitete Transistorfamilie, die über ein isoliertes Gate gesteuert wird. Chalkogene sind die chemische Gruppe, zu der Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur gehören, also die für den Austausch zentralen Elemente.

Die Ankündigungs- und Veröffentlichungsdaten wurden wie folgt angegeben:

• 15. Oktober 2026: Das Ministerium für Wissenschaft und IKT kündigte nach den Angaben die Forschung zu den modularen Transistoren an.
• 16. Oktober 2026, 3 Uhr koreanischer Zeit: Zu diesem Zeitpunkt veröffentlichte das Ministerium die Veröffentlichung in Science. Andere Angaben datierten die öffentliche Ankündigung auf den 16. Oktober.

Als nächsten Schritt will das Team das Verfahren auf weitere zweidimensionale Halbleiter anwenden und auf Wafern ausweiten, den großflächigen Trägermaterialien, auf denen viele Halbleiterbauelemente gleichzeitig hergestellt werden. Eine gleichmäßige und reproduzierbare Atomsubstitution über diese Flächen hinweg ist Voraussetzung für den industriellen Einsatz. Einen Zeitplan für die Einführung in die Fertigung gab es nicht.

Das Team verfolgt ein konkretes praktisches Ziel: nützliche Materialien direkt an Ort und Stelle zu erzeugen, statt separate Filme wiederholt zu übertragen und zu verbinden. In größerem Maßstab könnte das die Komplexität der Montage verringern und zugleich die präzise Steuerung durch das Gate sowie die verbesserten Kontakte bewahren, die in den Versuchsbauteilen gemessen wurden.

Kim Seong-su, Direktor des Büros für Forschung und Entwicklungspolitik im Ministerium für Wissenschaft und IKT, erklärte, die Regierung werde die Grundlagenforschung weiterhin unterstützen, damit originäre Technologien zur industriellen Wettbewerbsfähigkeit Südkoreas beitragen könnten. Die nächsten Arbeiten der Forscher konzentrieren sich auf größere Verarbeitungsflächen, zusätzliche Materialien und gestapelte integrierte Schaltungen.

Die wichtigsten Punkte

• Das koreanische Team stellte zentrale Transistorbauteile her, indem es Selenatome in Wolframdiselenid gezielt ersetzte.
• Temperatur, Gasdruck und Masken steuerten die Umwandlung in etwa 0,7 Nanometer dicken Schichten und an ausgewählten Stellen der Oberfläche.
• Die Energiebarriere am Kontakt sank auf 35,5 Millielektronenvolt, etwa ein Drittel des Werts bei direktem Metallkontakt.
• Eine Änderung der Gate-Spannung um 61,3 Millivolt verzehnfachte den Strom. Das liegt nahe an der ungefähren Grenze von 60 Millivolt bei Raumtemperatur.
• Das Stromverhältnis zwischen Ein- und Aus-Zustand lag bei mehr als zehn Millionen zu eins.
• Ein vertikal gestapelter komplementärer Inverter kehrte Signale bei 1 Volt um.
• Eine gleichmäßige Verarbeitung auf Halbleiterwafern ist die nächste Voraussetzung für eine industrielle Anwendung.