Dünner als je zuvor: Wissenschaftler in China entwickeln revolutionäres Halbleitermaterial
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Ultradünne Halbleitermaterialien mit nur 0,7 Nanometern. Kristalle könnten die Effizienz und Leistung von Mikrochips revolutionieren. Hier die Details.
Chinesische Forscher haben in der Halbleitertechnologie einen möglicherweise bahnbrechenden Durchbruch erzielt. Unter der Leitung von Liu Kaihui von der Peking University, Liu Can von der Renmin University und Zhang Guangyu vom Institut für Physik an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermaterials entwickelt, das mit einer Stärke von nur 0,7 Nanometern neue Maßstäbe setzt.
Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden unlängst in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht und könnten den Weg für schnellere und energieeffizientere Mikrochips ebnen.
Silizium stößt an seine Grenzen
Die Herausforderung bei der Miniaturisierung herkömmlicher siliziumbasierter Chips liegt darin, dass physikalische Grenzen die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen, sobald die Geräte kleiner werden. Hier setzen die chinesischen Wissenschaftler an: Sie erforschten zweidimensionale (2D) Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) als Alternative zu Silizium.
TMDs sind nicht nur dünner – Siliziumchips sind üblicherweise fünf bis zehn Nanometer dick –, sondern verbrauchen auch weniger Strom und bieten überlegene elektronische Transporteigenschaften. Damit sind sie ideal für die extrem verkleinerten Transistoren, die in der nächsten Generation elektronischer und photonischer Chips zum Einsatz kommen könnten.
Innovative Herstellungstechnik
Die Herstellung von TMDs gestaltete sich bisher jedoch schwierig. Die von den Forschern entwickelte Technik ermöglicht es, schnell hochqualitative 2D-Kristalle in sieben verschiedenen Zusammensetzungen zu produzieren, was eine Massenfertigung realisierbar macht.
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Laut Liu Kaihui war das traditionelle Verfahren, bei dem Atomschicht für Atomschicht auf einem Substrat aufgetragen wird, oft mit Reinheitsmängeln behaftet, da atomare Anordnungen im Kristallwachstum unkontrollierbar waren und sich Unreinheiten sowie Defekte ansammelten.
Neue Methode für Atomschichten
Das Team nutzte eine bahnbrechende Methode namens "grow at interface", bei der die erste Atomschicht traditionell auf das Substrat aufgebracht wird, nachfolgende Atome jedoch zwischen Substrat und erster Kristallschicht hinzugefügt werden und so neue Schichten bilden.
Diese Methode gewährleiste, dass jede Kristallschicht durch das darunterliegende Substrat strukturiert werde, was die Ansammlung von Defekten effektiv verhindere und die strukturelle Kontrollierbarkeit verbessere.
Schnelle und präzise Produktion versprochen
Wie es auf der Website der Universität Beijing heißt, erreichte die im Studium demonstrierte Technik eine Kristallschichtbildung von 50 Schichten pro Minute mit einem Maximum von 15.000 Schichten. "Die atomare Anordnung jeder Schicht ist perfekt parallel und präzise kontrolliert", so die Universität.
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Die hergestellten hochqualitativen 2D-Kristalle umfassen Materialien wie Molybdändisulfid, Molybdändiselenid und Wolframdisulfid, die internationale Standards für integrierte Schaltkreismaterialien erfüllen.
Potenzielle Revolution in der Mikrochip-Technologie
Diese 2D-Kristalle könnten, wenn sie als Materialien für Transistoren in integrierten Schaltkreisen verwendet werden, die Chipintegration erheblich verbessern. "Auf einem Chip in der Größe eines Fingernagels kann die Dichte der Transistoren erheblich erhöht werden, was die Rechenleistung steigert", erklärte Liu.
Die Entwicklung könnte somit eine Revolution in der Mikrochip-Technologie bedeuten und legt den Grundstein für eine zukünftige Generation von Elektronikgeräten, die schneller und energieeffizienter denn je sind.