Die ultimative Halbleiter-Miniaturisierung

Silicen ist ein neues Halbleitermaterial, das die Eigenschaften von Silizium und Graphen kombiniert. Es ist einer der aussichtsreichsten Kandidaten für die Herstellung noch kleinerer elektronischer Schaltungen für zukünftige Smart Devices.

"Elektronik wird derzeit in vielen Schichten aus Siliziumatomen eingebettet. Wenn man sie in einer einzigen Schicht herstellen könnte, so wäre es möglich, sie auf viel kleinere Größen zu schrumpfen, Leistungsverluste zu reduzieren und die Geräte gleichzeitig leistungsfähiger und energieeffizienter zu machen", erklärte Dr. Athanasios Dimoulas, Koordinator des EU-Projekts 2D-NANOLATTICES.

Graphen ist eine interessante Substanz, weil sie in einer einzigen Atomschicht vorkommt, aber nicht über die "Energielücke" verfügt, von der Halbleiter gekennzeichnet sind. Silicen, eine zweidimensionale Form des Siliziums, bringt seine Halbleitereigenschaften in die Welt der 2D-Materialien. Das Problem mit Silicen besteht jedoch darin, dass es sich bei Kontakt mit anderen Stoffen, wie Metallen, verändert.

100-fach verkleinerte Elektronik

Für die Forscher hat es sich als eine schwierige Aufgabe erwiesen, Elektronik in eine einzige Silicenschicht zu verdichten und dabei die elektronische Leistung zu bewahren – zumindest bislang. Dem Projekt 2D-NANOLATTICES ist eine weltweit bedeutende Innovation gelungen, indem man aus dem Material einen Feldeffekttransistor (FET) herstellen konnte, der bei Raumtemperatur betrieben wird.

FETs sind ein wichtiges Element in elektronischen Schaltungen. Sie in nur eine Schicht aus Siliziumatomen (in Silicenstruktur) einzubetten und die Schicht, die auf einem Silbersubstrat kultiviert wurde, anschließend in eine Schicht zu übertragen, die einer neutraleren Substanz, Siliziumdioxid, hergestellt wurde, ist ein beachtlicher Erfolg. "Versuche haben gezeigt, dass die Leistung von Silicen auf einem nicht-metallischen Substrat sehr, sehr gut ist", freute sich Dr. Dimoulas vom Demokritos, Griechenlands Nationalem Zentrum für wissenschaftliche Forschung.

"Dass wir diesen einen Transistor aus nur einer einzigen Schicht eines Materials wie Silizium herstellen konnten, ist nie zuvor geschehen, und das ist wirklich etwas, das als Durchbruch bezeichnet werden kann. Auf der Grundlage dieser Leistung könnte es möglich sein, die Transistoren in vertikaler Richtung um das Hundertfache zu verkleinern", fügte Dr. Dimoulas hinzu.

Das Potenzial erkennen

Nun, da der Transistor vertikal in nur eine zweidimensionale Atomschicht geschrumpft werden konnte, wäre es auch möglich, die Abmessungen seitwärts zu verringern. Dies würde bedeuten, dass die gleiche Fläche eines Chips bis zu 25-mal mehr Elektronik aufnehmen könnte, berechnete Dr. Dimoulas.

Zudem können durch die Verwendung eines einzigen, schmalen Kanals zur Übertragung von elektrischem Strom Leistungsverluste reduziert werden, ein Problem, über das sich die Halbleiterbranche bereits seit einiger Zeit den Kopf zerbricht: Wie kann man Geräte noch kleiner machen, ohne dass sie überhitzen und an Leistung verlieren?

Für die Chiphersteller sind das gute Nachrichten, denn mit dem Aufkommen der 5G-Mobilfunknetze wird der Wettbewerb um die nächste Welle der Kommunikationstechnologien immer härter.

Das Projekt 2D-NANOLATTICES erhielt Finanzierung in Höhe von 1.630.000 EUR aus dem RP7 (im Bereich Künftige und neu entstehende Technologien) und lief vom 1. Juni 2011 bis zum 31. August 2014. Es waren sechs Partner aus vier EU-Ländern beteiligt.