Exotische Legierung für den Chip der Zukunft
Experten von FZJ und IHP schaffen Schnittstelle von Elektronik, Photonik und Quantentechnologie
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Im Labor: Neue Hightech-Chips wachsen auf herkömmlichen Wafern (Foto: fz-juelich.de) |
Jülich/Frankfurt an der Oder (pte016/16.07.2025/12:30)
Experten des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des Leibniz-Instituts für innovative Mikroelektronik (IHP) sehen in der vierelementigen Legierung CSiGeSn das Chip-Material der Zukunft. Damit lassen sich Eigenschaften so feinjustieren, dass Bauelemente möglich werden, die mit reinem Silizium nicht realisierbar wären. Sie können zur Schnittstelle von Elektronik, Photonik und Quantentechnologie werden. Das Material besteht aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn.
Produktionstechnik erprobt
Die Strukturen lassen sich direkt bei der Herstellung auf dem Chip mit der gleichen Technik erzeugen, die die Halbleiterindustrie bereits heute einsetzt. Die Chemie setzt dabei klare Grenzen: Nur Elemente, die zur selben Hauptgruppe gehören wie Silizium, fügen sich nahtlos ins Kristallgitter auf dem Wafer ein - Kohlenstoff, Germanium und Zinn gehören dazu. Elemente anderer Gruppen stören das empfindliche Gefüge.
Das zugrunde liegende Verfahren heißt Epitaxie, ein Schlüsselprozess der Halbleitertechnologie, bei dem dünne Schichten atomgenau auf einem Substrat abgeschieden werden. Die Maschine, die dazu fähig ist, hat das Unternehmen Aixtron entwickelt. Der Weltmarktführer auf diesem Gebiet ist aus der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen hervorgegangen.
Kohlenstoff schließt den Kreis
Schon zuvor war es Forschern um Dan Mihai Buca, Experte für Halbleiter-Nanoelektronik am FZJ, gelungen, Silizium, Germanium und Zinn zu kombinieren und daraus Transistoren, Photodetektoren, Laser, Leuchtdioden und thermoelektrische Materialien zu erzeugen. Die Hinzunahme von Kohlenstoff erweitert nun die Möglichkeiten, die sogenannte Bandlücke - entscheidend für das elektronische und photonische Verhalten - gezielt einzustellen, heißt es.
Die Herstellung der neuen Verbindung galt lange als kaum machbar. Das Kohlenstoffatom ist winzig, das Zinnatom groß, und die anderen liegen dazwischen. Erst durch präzise Einstellung der Herstellungsprozesse auf der Aixtron-Epitaxieanlage gelang es diese Gegensätze zu vereinen. Das Ergebnis ist ein Material von hoher Qualität, gleichmäßig zusammengesetzt. Als erstes entstand daraus eine Leuchtdiode, die auf Quantentopfstrukturen aus den vier Elementen aufbaut, ein wichtiger Schritt in Richtung neuer optoelektronischer Bauelemente. Quantentopf ist eine spezielle Struktur in der Nanotechnik.
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