Die Informationstechnik (IT) hält in immer mehr Lebensbereichen Einzug. Stromeinsparungen sind dringend notwendig. Als besonders energiesparende Komponenten bieten sich Tunnel-Feldeffekt-Transistoren (TFET) an, die weltweit intensiv erforscht werden. Um ihr Potenzial auszutesten, entwickeln Wissenschaftler in dem vom Forschungszentrum Jülich koordinierten Projekt UltraLowPow nun erste Schaltkreise und Sensoren – auch im Hinblick auf neuartige Assistenzsysteme, die Mensch und Umwelt in Zukunft unterstützen könnten.
Einen ersten bahnbrechenden Erfolg werden Jülicher Wissenschaftler Ende des Jahres auf dem kommenden International Electron Devices Meeting, kurz IEDM 2013, der vielleicht wichtigsten Elektronik-Tagung der Welt, in Washington DC, USA, vorstellen: einen Inverter, das ist eine einfache, aus TFETs aufgebaute Logikschaltung, der mit einer Betriebsspannung von nur 0,25 Volt auskommt – ein weltweit bisher einzigartig niedriger Wert. Darauf aufbauend werden die Forscher gemeinsam mit Partnern des Instituts für Halbleitertechnik der RWTH Aachen und des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Technischen Universität München in dem im Juni 2013 gestarteten Projekt UltraLowPow zunächst einfache Schaltungen, etwa für Speicherzellen (SRAM) und Signalverarbeitung, sowie hochempfindliche und energieeffiziente Beschleunigungs-, Druck- und Flüssigkeitssensoren entwickeln.
Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung mit 2,34 Millionen Euro geförderte Projekt zielt auf verschiedene Anwendungen ab: von der Automobilelektronik über zusätzliche energieeffiziente Schaltungen in Mobilgeräten, die im Standby den Betrieb aufrechterhalten, bis hin zu intelligenten Regelungs- und Sensorsystemen. Letztere könnten selbst kleine Mengen an Energie gewinnen, etwa mithilfe von Solarzellen oder Generatoren („Energie-Harvesting“). Unabhängig von einer äußeren Stromzuführung wären solche Systeme praktisch wartungsfrei und damit perfekt geeignet für den Einsatz in innovativen Anwendungsfeldern, die gerade erst entstehen: Durch eine Rundum-Überwachung der Körperfunktionen könnten sie Patienten neue Freiräume ermöglichen, in „Smart Homes“ zum Energiesparen beitragen oder in großen Netzwerken Daten über die Umwelt erfassen.
Energieeffizient durch Quantenmechanik
Transistoren sind das wichtigste elektronische Bauelement zum Verarbeiten von Informationen und auch zum Aufbau von Sensoren geeignet. Ihr Verhalten entspricht dem eines steuerbaren Schalters, der Strom, abhängig von einer anliegenden Spannung, unterschiedlich gut leitet. Konventionelle Speicher und Prozessoren bestehen aus sogenannten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Ihre Gateoxid-Schichtdicke ist nach jahrzehntelanger Miniaturisierung mittlerweile bei wenigen Atomlagen angelangt. Die unweigerlich hervorgerufenen Leckströme sind eines der Kernprobleme, die für die großen Standby-Verluste im IT-Bereich verantwortlich sind. Vor allem aber hat die Betriebsspannung seit einigen Chipgenerationen eine untere Grenze von etwa 0,7 Volt erreicht, die sich nicht weiter senken lässt, ohne dass das Schaltungsverhalten einbricht.
TFETs arbeiten dagegen noch mit Spannungen bis herunter zu 0,25 Volt. Da die Leistungsaufnahme quadratisch von der Spannung abhängt, lässt sich der Energieverbrauch so auf ein Zehntel verringern. Die Ladungsträger bewegen sich in TFETs nicht „klassisch“ von der Source-Elektrode in das Halbleitermaterial. Sie „tunneln“ nach quantenmechanischen Prinzipien durch die Kontaktfläche. Das reduziert Leckströme und führt dazu, dass TFETs deutlich empfindlicher auf kleine Spannungsschwankungen reagieren können als konventionelle Transistoren. Die steilere Schaltcharakteristik hilft nicht nur, Energie zu sparen. Sie ist auch eine ideale Voraussetzung zum Bau hochperformanter Schaltungen sowie hochempfindlicher Sensoren.
Konzepte für unterschiedliche Anforderungen
„Anstelle eines Standard-Transistors werden wir in UltraLowPow verschiedene Typen von TFETs entwickeln, die auf unterschiedliche Anforderungen und Hersteller zugeschnitten sind“, erläutert Projektleiter Prof. Siegfried Mantl aus dem Bereich Halbleiter-Nanoelektronik des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-9). „Für leistungsstärkere Transistoren verfolgen wir eine ganze Palette verschiedener Materialien für neuartige Architekturen, bei denen Nanodrähte mit einem Durchmesser von rund 10 Nanometer zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sind aber auch einfache, planare Transistoren und Sensoren geplant. Diese kommen schon mit einem erheblich geringeren Herstellungsaufwand aus und sind daher bereits für mittelständische Unternehmen attraktiv.“
(Forschungszentrum Jülich, 05.12.2013 – AKR)
