Ohne Silizium: Erster Computer aus 2D-Materialien entwickelt

Forscher der Penn State University haben einen bedeutenden Schritt in Richtung einer neuen Ära der Elektronik gemacht: Erstmals ist es gelungen, einen vollständig funktionsfähigen CMOS-Computer ohne Silizium zu bauen.

Nur ein Atom dick

Dieser Standard-Halbleiter wurde aber nicht einfach nur ersetzt. Stattdessen kamen sogenannte zweidimensionale (2D) Materialien zum Einsatz, die nur eine Atomlage dick sind. Die Innovation verspricht dünnere, schnellere und energiesparendere elektronische Geräte, da 2D-Materialien ihre außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften auch bei extremer Miniaturisierung beibehalten - ein Vorteil gegenüber herkömmlichem Silizium, dessen Leistungsfähigkeit bei weiterem Schrumpfen zunehmend leidet.

Herzstück der Entwicklung ist ein CMOS-Computer, wie er in praktisch allen modernen Geräten verbaut ist. Für den Bau nutzten die Forscher Molybdändisulfid (MoS₂) für die sogenannten n-Typ-Transistoren und Wolframdiselenid (WSe₂) für p-Typ-Transistoren - zwei Materialtypen, die zusammen für den Stromfluss in CMOS-Schaltungen verantwortlich sind.


Ein entscheidender Durchbruch gelang durch den Einsatz der Metall-organischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), um großflächige, gleichmäßige Schichten beider Materialien zu erzeugen. Über tausend Transistoren jedes Typs wurden dabei hergestellt. Durch sorgfältige Prozessoptimierung konnten die Forscher die elektrischen Eigenschaften gezielt anpassen und komplexe Logikschaltungen realisieren.

Schneller Fortschritt

"Unser 2D-CMOS-Computer benötigt nur eine geringe Betriebsspannung und arbeitet dadurch äußerst energieeffizient. Er kann einfache logische Operationen mit einer Taktfrequenz von bis zu 25 Kilohertz durchführen", erklärte Doktorand Subir Ghosh, der das Projekt maßgeblich mitbetreute. Zwar liegt die Rechenleistung noch unterhalb heutiger Silizium-Standards, doch stellt die Forschung einen bedeutsamen technologischen Fortschritt dar.

Das Penn-State-Team betont, dass die Entwicklung von 2D-basierten Computern zwar noch am Anfang steht, jedoch deutlich schneller voranschreitet, als die historische Entwicklung von Siliziumtechnologie. Der nun vorgestellte Prototyp könnte künftig den Weg ebnen für leistungsfähigere, nachhaltigere und platzsparende Elektronik.


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