Silizium ist das Herz der modernen Elektronik. Ob Smartphone, Rechner oder Auto – ohne das Halbleitermaterial läuft nichts. Doch Forschende der Penn State University haben nun eine funktionsfähige Alternative vorgestellt: einen Computer, der ganz ohne Silizium auskommt. Die Recheneinheit basiert vollständig auf sogenannten zweidimensionalen Materialien. Diese sind nur eine Atomschicht dick, behalten ihre elektronischen Eigenschaften auch in dieser extremen Verkleinerung bei – und könnten Silizium langfristig ergänzen oder sogar ersetzen.
Inhaltsverzeichnis
- CMOS-Technologie neu gedacht – mit Molybdän und Wolfram
- Herstellung durch Gasphasenabscheidung – über 1.000 Transistoren gefertigt
- Ein-Befehl-Computer: Rechner arbeitet mit 25 Kilohertz
- Digitales Modell simuliert Leistung und Skalierung
- 2D-Materialien: Noch jung, aber mit viel Potenzial
- Breite Zusammenarbeit – vom Doktorand bis zur renommierten Professorin
CMOS-Technologie neu gedacht – mit Molybdän und Wolfram
Im Zentrum der Entwicklung steht die CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), die als Standardarchitektur für nahezu alle heutigen elektronischen Geräte gilt. CMOS-Schaltungen bestehen aus zwei Transistortypen: n-Typ und p-Typ. Bei der neuen Version setzen die Forschenden auf Molybdändisulfid für die n-Typ-Transistoren und auf Wolframdiselenid für die p-Typ-Pendants. Beide zählen zu den sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogeniden – Materialklassen, die schon seit Jahren im Fokus der Nanoelektronik stehen.
„Silizium hat seit Jahrzehnten bemerkenswerte Fortschritte in der Elektronik ermöglicht“, erklärt Saptarshi Das, leitender Wissenschaftler des Projekts. „Mit der Verkleinerung der Siliziumbauelemente beginnt jedoch ihre Leistung nachzulassen.“ Genau hier setzen die zweidimensionalen Materialien an.
Herstellung durch Gasphasenabscheidung – über 1.000 Transistoren gefertigt
Um aus den Materialien funktionierende Bauteile zu gewinnen, griff das Team auf die sogenannte MOCVD-Methode zurück. MOCVD steht für „metallorganische chemische Gasphasenabscheidung“ – ein Verfahren, bei dem die gewünschten Stoffe gasförmig auf ein Substrat abgeschieden werden. So entstehen große, homogene Materialschichten. Damit fertigten die Forschenden jeweils über 1.000 Transistoren aus den beiden 2D-Materialien.
Der besondere Fortschritt: Die Schwellenspannung beider Transistortypen konnte durch gezielte Nachbearbeitung angepasst werden. So lassen sich p- und n-Typ-Transistoren gemeinsam in einer CMOS-Architektur betreiben. Dieses Zusammenwirken galt lange als technische Hürde bei 2D-Schaltungen.
Ein-Befehl-Computer: Rechner arbeitet mit 25 Kilohertz
Das Resultat ist ein sogenannter Ein-Befehlssatz-Computer. Solche minimalistischen Systeme nutzen eine stark reduzierte Architektur, um einfache logische Operationen auszuführen. Der 2D-Rechner erreicht dabei Taktfrequenzen von bis zu 25 Kilohertz. Das liegt zwar weit unterhalb aktueller Prozessorstandards, zeigt aber: Funktionalität ist auch ohne Silizium möglich.
„Unser 2D-CMOS-Computer arbeitet mit niedrigen Versorgungsspannungen und minimalem Stromverbrauch“, erläutert Subir Ghosh, Erstautor der Studie und Doktorand an der Penn State. Das sei ein wichtiger Aspekt für zukünftige energieeffiziente Elektronik.
Digitales Modell simuliert Leistung und Skalierung
Zusätzlich zur realen Hardware entwickelten die Forschenden ein digitales Rechenmodell. Es basiert auf den experimentellen Daten der gefertigten Transistoren und berücksichtigt Unterschiede in der Bauteilqualität. Ziel: Eine Prognose der möglichen Leistungsdaten – und ein Vergleich mit herkömmlichen Siliziumchips.
Das Ergebnis zeigt, dass sich durch gezielte Weiterentwicklung auch komplexere Funktionen und höhere Taktraten realisieren lassen. Die Hardware-Architektur könnte damit als Grundlage für künftige energiearme, kompakte Computerplattformen dienen – etwa in der Sensortechnik oder im Bereich des Edge-Computings.
2D-Materialien: Noch jung, aber mit viel Potenzial
Die Forschung an zweidimensionalen Halbleitern steckt im Vergleich zur Siliziumtechnologie noch in den Kinderschuhen. Während Silizium bereits seit rund 80 Jahren optimiert wird, begannen die Arbeiten an 2D-Materialien erst nach 2010. Dennoch zeigen sich die Beteiligten zuversichtlich, was den weiteren Fortschritt angeht.
„Wir gehen davon aus, dass die Entwicklung von Computern aus 2D-Materialien ein schrittweiser Prozess sein wird“, so Das. Aber gemessen an der Zeitspanne sei bereits viel erreicht worden.
Breite Zusammenarbeit – vom Doktorand bis zur renommierten Professorin
Neben Das und Ghosh beteiligte sich ein ganzes Team aus verschiedenen Fachrichtungen an der Entwicklung. Darunter Fachleute für Elektrotechnik, Werkstoffwissenschaften und Mechanik. Auch internationale Partner vom Indian Institute of Technology und der Jadavpur University in Indien wirkten mit. Die Forschung wurde unter anderem durch die US-amerikanische National Science Foundation sowie das Army Research Office unterstützt.
Besonders hilfreich war laut Das das 2D Crystal Consortium Materials Innovation Platform (2DCC-MIP), eine Einrichtung an der Penn State University. Sie stellte die Labore, Reaktoren und Messgeräte bereit, die zur Entwicklung notwendig waren.
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