Totgesagte leben länger: Germanium macht Siliziumchips fit für die Zukunft

von | 9. Nov 2022 - 11:17 | Technologien

Forscherteam entwickelt neue Schnittstelle für Halbleiterbauteile aus Silizium-Germanium. 

Computerchips aus Silizium bilden das Rückgrat der Informationstechnologie, doch angesichts immer weiter fortschreitender Miniaturisierung und immer höherer Leistung gerät das Halbleitermaterial an seine Grenzen. Hier rückt Galliumnitrid (GaN) als Nachfolger auf den Plan, so etwa in den Chips für die 5G-Funktechnologie, die trotz hoher Temperaturen keinen Leistungsverlust aufweisen. 

Dass man Silizium als Chipmaterial dennoch nicht abschreiben sollte, haben Wissenschaftler der Technischen Universität Wien in Zusammenarbeit mit Forschungsteams aus Linz und dem schweizerischen Thun jetzt gezeigt. Grundlage ihrer Forschung ist der Verbindungshalbleiter Silizium-Germanium, der seit vielen Jahren zum Einsatz kommt, aber bislang ungenutztes Potential besitzt. Dazu müsse der Anteil an Germanium erhöht werden, was die Energieeffizienz sowie die erreichbaren Taktfrequenzen deutlich steigern würde, so die Wissenschaftler. Schnellere Computer oder sogar völlig neue Quantenbauelemente seien dann denkbar. 

Neue Chancen für einen alten Bekannten

Doch der Einsatz von Germanium bringt ein Problem mit sich, denn das bis in die 1970er Jahre als Halbleitermaterial führende Technologiemetall reagiert deutlich anders als Silizium, sobald es im Verlauf des Herstellungsverfahrens mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Die Vielzahl an Oxiden, die sich dabei bilden können, führe dazu, dass die Bauteile unterschiedliche elektronische Eigenschaften aufweisen, erklärt Masiar Sistani vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. Dies stelle ein Problem dar, wenn das Material mit metallischen Kontakten verbunden werde, da man sich nicht darauf verlassen könne, dass das fertige Element den Anforderungen entspreche. 

Die Lösung für das Problem fanden die Forscher in einem im Fachmagazin Small vorgestellten Verfahren, das die Verunreinigung der Schnittstelle zwischen Aluminium und Silizium-Germanium ausschließt. Entscheidend dabei ist eine Zwischenschicht aus reinem Silizium und das kontrollierte Aufheizen der Struktur auf rund 500 Grad Celsius. Sauerstoffatome hätten in dem neuartigen Prozess nicht die Gelegenheit in diese hochreine Schnittstelle zu gelangen, so Sistani weiter. 

Das Herstellungsverfahren sei reproduzierbar und könne relativ schnell in der Chipindustrie eingesetzt werden, erläutert Prof. Walter Weber, Leiter des Instituts für Festkörperelektronik. Die notwendigen Systeme seien dort bereits vorhanden. Der Weg für eine Vielzahl von nanoelektronischen, optoelektronischen und Quantengeräten der nächsten Generation sei damit geebnet.

Photo: iStock/kynny

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