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2D-Materialien für die Datenverarbeitung der nächsten Generation

In einem in Nature Communications erschienenen kompakten Kommentar skizzieren Max Lemme und Kollegen die vielversprechendsten Anwendungsbereiche von zweidimensionalen (2D) Materialien, sowie die noch zu überwindenden Herausforderungen um High-Tech-Produkte aus 2D-Materialien herstellen zu können.

More Moore und More than Moore: was wie ein Zungenbrecher klingt, bezeichnet in Wirklichkeit zwei der wichtigsten Forschungsrichtungen der Halbleiterindustrie. More Moore (mehr Moore) ist ein Ausdruck für die Bemühungen, das “Mooresche Gesetz” zu verlängern, d.h. das kontinuierliche Streben nach einer Verkleinerung der Transistoren und nach der Integration von mehr, kleineren und schnelleren Transistoren auf jedem Chip des nächsten Produktionsknotens. More than Moore (mehr als Moore) deutet stattdessen auf die Kombination von digitalen und nicht-digitalen Funktionen auf demselben Chip hin, ein Trend, der auch als “CMOS+X” bekannt ist und der mit dem Aufkommen der 5G-Konnektivität und Anwendungen wie dem Internet der Dinge und dem autonomen Fahren immer wichtiger wird.

Für diese beiden Forschungsrichtungen sind 2D-Materialien eine äußerst vielversprechende Plattform. Ihre ultimative Dünnheit macht sie beispielsweise zu erstklassigen Kandidaten, um Silizium als Kanalmaterial für Nanosheet-Transistoren in zukünftigen Technologieknoten zu ersetzen, was eine fortgesetzte Skalierung der Dimensionen ermöglichen würde. Darüber hinaus lassen sich Bauelemente, die auf 2D-Materialien basieren,prinzipiell gut in die Standard-CMOS-Technologie integrieren und können daher verwendet werden, um die Fähigkeiten von Siliziumchips um zusätzliche Funktionen zu erweitern, wie z.B. bei Sensoren, Photonik oder memristiven Bauelementen für neuromorphes Computing.

2D-Materialien können für die Halbleiterindustrie eine entscheidende Rolle spielen, sowohl für die Fortsetzung des als Moore’s Law bekannten Skalierungstrends (More Moore), als auch für die Entwicklung neuer Generationen von Geräten, die analoge und digitale Funktionen integrieren (More than Moore). Bild aus “2D Materials for Future Heterogeneous Electronics”.

“2D-Materialien haben das Potenzial, der “X-Faktor” in der zukünftigen integrierten Elektronik zu werden”, sagt Prof. Max Lemme, Leiter des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH Aachen und Sprecher des Aachen Graphene & 2D Materials Center. “Ich gehe davon aus, dass sie zunächst in Nischenanwendungen für bestimmte Sensoren auf den Markt kommen werden, da die Anforderungen an die Fertigungstechnologien geringer sein könnten. Aber ich bin auch davon überzeugt, dass 2D-Materialien eine wichtige Rolle in photonischen integrierten Schaltkreisen und in zukünftigen neuromorphen Computeranwendungen spielen werden. Hier befindet wir uns noch im Anfangsstadium, erste Ergebnisse sind jedoch bereits sehr vielversprechend.”

In der Tat wurden bereits mehr als ein Dutzend 2D-Materialien entdeckt, die einen programmierbaren Schaltwiderstand aufweisen – die grundlegende Eigenschaft für den Aufbau von Bauelementen (Memristoren) – mit denen das Verhalten von Synapsen und Neuronen nachgeahmt werden kann. Zwar müssen viele grundlegende Aspekte noch verstanden werden, aber die ersten Memristoren auf der Basis von 2D-Materialien haben eine konkurrenzfähige Leistung sowie eine breite Palette wünschenswerter  anderer Funktionen gezeigt, wie z.B. Nicht-Klonbarkeit und Hochfrequenzschaltung für Kommunikationssysteme. Tatsächlich werden solche Memristoren im deutschen Cluster4Future-Projekt “NeuroSys”, das im Januar 2022 startete, eingehend untersucht.

Ein weiteres Zukunftsfeld, in dem 2D-Materialien eine wichtige Rolle spielen können, sind Quantentechnologien. “Es gibt konsistente Hinweise darauf, dass 2D-Materialien ein großes Potenzial für das Quantencomputing sowie für die Quantenkommunikation und für neuartige Quantensensorik haben”, sagt Prof. Christoph Stampfer, Leiter der „2D Materials and Quantum Devices Group“ an der RWTH Aachen und Mitautor der Studie “Apropos Quantencomputer: 2D-Materialien sind heute 8 bis 12 Jahre weiter als andere Plattformen wie Silizium – Spin-Qubits auf der Basis von 2D-Materialien sind zum Beispiel in Reichweite, aber noch nicht demonstriert. Die Flexibilität, die die 2D-Plattform bietet, könnte jedoch mittel- bis langfristig große Vorteile bieten und es ermöglichen, einige der Hindernisse zu überwinden, auf die andere Plattformen stoßen, wie z.B. die Kopplung von Spins mit Photonen.”

Lemme und Stampfer sind zwei der Autoren des Kurzkommentars ‘2D Materials for Future Heterogeneous Electronics’, zusammen mit Deji Akinwande, von der University of Texas in Austin (USA), und Cedric Huyghebaert, von IMEC, Belgien. Der Kommentar wurde soeben als Open Access in Nature Communications veröffentlicht. “Mit diesem Kommentar wollten wir in erster Linie unsere Kollegen außerhalb der 2D-Materialien-Gemeinschaft erreichen”, sagt Lemme.  “Wir wollten das Potenzial von 2D-Materialien für diejenigen aufzeigen, die auf diesem Gebiet weniger vertraut sind, und gleichzeitig versuchen, ehrliche Antworten auf die Frage zu geben, warum es noch keine integrierten Chips und Elektronikprodukte gibt, die durch 2D-Materialien ermöglicht werden. Es existieren noch grundlegende Herausforderungen, die gelöst werden müssen, aber es ist wichtig, dass die Halbleiterindustrie die Fortschritte der 2D-Community wahrnimmt. Es ist Zeit, die Zusammenarbeit zu intensivieren und die Vorteile dieser spannenden Materialien voll auszuschöpfen.”

Bibliographische Informationen:
“2D Materials for Future Heterogeneous Electronics”
Max C. Lemme, Deji Akinwande, Cedric Huyghebaert, Christoph Stampfer
Nature Communications 13, 1392 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29001-4

Kontakt:
Prof. Max C. Lemme
Chair for Electronic Devices, RWTH Aachen University
E-mail: max.lemme[at]eld.rwth-aachen.de
Phone: +49 241 80 20281