Kleinster ferroelektrischer Transistor: Forschern gelingt Durchbruch mit 1-Nanometer-Gate

Der weltweit kleinste ferroelektrische Transistor wurde von einem Forscherteam der Universität Peking und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt. Dabei wurde die Gate-Länge erfolgreich auf nur 1 Nanometer reduziert. Das sogenannte Nanogate-Bauteil, das in der Fachzeitschrift Science Advances detailliert beschrieben wird, arbeitet mit lediglich 0,6 Volt und überwindet damit einen kritischen Engpass beim Stromverbrauch in der Halbleiterindustrie.

Moderne Logikchips arbeiten dagegen bereits effizient bei etwa 0,7 Volt. Gängige nichtflüchtige Speicher wie NAND-Flash benötigen für Schreibvorgänge jedoch typischerweise 5 Volt oder mehr. Selbst frühere ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFETs) erforderten über 1,5 Volt. Dieser Spannungsunterschied macht komplexe Aufwärtswandler notwendig, die wertvollen Platz und Energie verschwenden. In typischen KI-Chips fließen 60–90 % des gesamten Stromverbrauchs lediglich in den Datentransfer statt in die eigentliche Rechenleistung.

Um dieses Problem zu lösen, verwendete das von Qiu Chenguang und Peng Lianmao geleitete Forschungsteam metallische, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren als Gate-Elektroden. Dieses Design fungiert als Nanospitze, die das elektrische Feld konzentriert und somit die Kopplung zwischen der ferroelektrischen Schicht und dem Kanal verstärkt.

Durch diese Feldverstärkung kann das Bauteil seinen Polarisationszustand bereits bei 0,6 Volt ändern, also unterhalb der Standard-Logikspannung, und bleibt gleichzeitig resistent gegen Kurzkanaleffekte. Die daraus resultierenden Molybdändisulfid-FeFETs (MoS₂) weisen eine überlegene Speicherleistung mit einer On/Off-Ratio von zwei Millionen und einer schnellen Programmiergeschwindigkeit von 1,6 Nanosekunden auf.

Durch die Angleichung der Spannung zwischen Speicher- und Logikeinheiten macht diese Technologie zusätzliche Ladungspumpen-Schaltkreise überflüssig und beseitigt Barrieren für den Hochgeschwindigkeits-Datenaustausch. Laut den Forschern ist das zugrunde liegende Prinzip auf gängige ferroelektrische Materialien anwendbar und mit standardmäßigen industriellen Fertigungsprozessen kompatibel. Dieser Durchbruch hat erhebliche Auswirkungen auf die Zukunft der Inferenz großer KI-Modelle, Edge-Intelligence und Wearables, bei denen Energieeffizienz an erster Stelle steht.