Die physikalische Grenze von Moore's Law

Forscher bauen Transistor aus nur einem Atom

Eine Triebfeder der Halbleiterindustrie sind immer kleinere und komplexere Chip-Strukturen. Wie schnell die Entwicklung fortschreitet, wird gerne mit Moore's Law beschrieben. Folgt man diesen Vorhersagen, wird die Industrie um das Jahr 2020 die Grenze des physikalisch Möglichen erreichen, Transistoren aus einem Atom.

Forscher der University of New South Wales, der Purdue University und der University of Melbourne haben diese Grenze im Labor bereits jetzt erreicht und einen Transistor aus nur einem Phosphor-Atom gebaut. Zwar konnten solche Transistoren bereits in der Vergangenheit im Labor beobachtet werden, es ist jedoch das erste Mal, dass es gelang, einen solchen Transistor gezielt herzustellen. Dazu war es wichtig, eine hohe Präzision einzelner Atome zu erreichen. Bislang lag der Fehlerbereich bei 10 Nanometern.

Computermodell des Ein-Atom-Transistors | Quelle: Purdue University
Computermodell des Ein-Atom-Transistors | Quelle: Purdue University

Was zunächst nicht nach viel klingt, ist immerhin hundertmal so groß wie der Radius des als Transistor fungierenden Phosphor-Atoms mit 0,1 Nanometern. Durch die hohe Präzision bei der Positionierung des Atoms ist es gleichzeitig möglich, mehrere Transistoren nebeneinander zu platzieren, um letztendlich einen im größeren Maßstab skalierbaren Herstellungsprozess entwickeln zu können. Ein Vorteil ist hierbei sicherlich, dass die gleichen Materialien zum Einsatz kommen, die auch die Halbleiterindustrie verwendet, auch wenn diese noch weit von so kleinen Strukturen entfernt ist.

Das als Transistor fungierende Phosphor-Atom sitzt in einem Kanal und ist von einem Silizium-Kristall umgeben. Damit es sich wie ein Metall verhält und als Transistor fungieren kann, müssen aber auch seine Elektronen im Kanal bleiben, was derzeit nur mit Hilfe von sehr niedrigen Temperaturen von mindestens -196 Grad Celsius möglich ist. Gelänge es, die Elektronen auf eine andere Weise im Zaum zu halten, könnte der Transistor auch bei Raumtemperatur arbeiten, was im Hinblick auf eine praktische Nutzung in der Zukunft von Vorteil wäre.

Ob ein solcher Transistor eines Tages jemals als Qubit in einem Quantencomputer zum Einsatz kommen kann, ist jedoch noch nicht sicher. Dazu gilt es die Frage zu klären, ob sich die Quanten-Kohärenz sehr vieler Qubits kontrollieren lässt. Eine detaillierte Beschreibung ihres Transistors haben die Forscher gestern in Nature Nanotechnology veröffentlicht.