Der rasende Computerchip
Die TU Wien entwickelt für die Chiptechnologie ein neues Material aus Silizium und Germanium. Das soll schnellere und energieeffizientere Computer sowie neue Anwendungen bei Quantenbau und Optoelektronik ermöglichen.
Die heutige Chiptechnologie basiert größtenteils auf Silizium. Nur in ganz bestimmten Bauelementen wird auch eine geringe Menge an Germanium beigemischt und dieser Anteil soll sich nun erhöhen. Der Verbindungshalbleiter Silizium-Germanium hat nämlich entscheidende Vorteile gegenüber der reinen Silizium-Technologie und das betrifft insbesondere die Energieeffizienz und erreichbare Taktfrequenzen.
Kristallines Aluminium mit Schichtsystem aus Silizium-Germanium
Die größte Herausforderung dabei ist, auf technisch zuverlässige Weise Kontakte zwischen Metall und Halbleiter auf der Nanoskala herzustellen und das ist bei einem hohen Anteil an Germanium deutlich schwieriger als bei Silizium. Die TU Wien zeigt nun zusammen mit Forschungsteams aus Linz und Thun (Schweiz) Lösungsmöglichkeiten auf.
Im Fokus stehen Kontakte aus kristallinem Aluminium mit extrem hoher Qualität und einem ausgeklügelten Silizium-Germanium Schichtsystem. Dieses Zusammenspiel ermöglicht in Abhängigkeit des Germaniumanteils im Silizium, unterschiedliche Kontakteigenschaften, speziell für optoelektronische- und Quantenbauelemente, so die TU Wien.
Das Problem mit dem Sauerstoff
„Jede Halbleiterschicht wird in konventionellen Verfahren automatisch verunreinigt, das lässt sich auf atomarer Ebene einfach nicht verhindern“, sagt Masiar Sistani vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. In erster Linie sind es Sauerstoffatome, die sich sehr rasch an der Oberfläche der Materialien anlagern und dann entsteht eine Oxidschicht.
Weniger problematisch ist das bei Silizium, wo sich immer genau die gleiche Art von Oxid ausbildet. „Bei Germanium ist es aber viel komplizierter, hier gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Oxide“, erklärt Sistani. „Das bedeutet, dass unterschiedliche nanoelektronische Bauteile eine stark unterschiedliche Oberflächenzusammensetzung aufweisen und damit auch unterschiedliche elektronische Eigenschaften haben können“, so Sistani.
Die nötigen Kennlinien und der Einsatz in der Halbleiterindustrie
Wird nun ein metallischer Kontakt mit diesen Bauteilen verbunden, dann entsteht durch diese Unterschiede ein Problem und dass macht das Material für den Einsatz in der Halbleiterindustrie so komplex. „Die Reproduzierbarkeit ist ein großes Problem. Verwendet man jedoch germaniumreiches Silizium, hat der elektronische Bauteil wirklich die nötigen Kennlinien“, erläutert Walter Weber, Leiter des Instituts für Festkörperelektronik der TU Wien.
„Die Ladungsträgerkonzentration ist höher, speziell positive Ladungsträger können sich in diesem Material viel effizienter bewegen als in Silizium“, ergänzt Lukas Wind, Doktorand bei Walter Weber. „Das Material würde daher viel höhere Taktfrequenzen bei gesteigerter Energieeffizienz erlauben als unsere heutigen Silizium-Chips“, so Wind.
Die „perfekte“ Schnittstelle
„Unsere Experimente zeigen, dass diese Kontaktstellen auf verlässliche und gut reproduzierbare Weise hergestellt werden können“, sagt Walter Weber. „Die hier notwendigen technologischen Systeme werden bereits heute in der Chipindustrie eingesetzt. Es handelt sich also nicht bloß um einen Laborversuch, sondern um ein Verfahren, das man relativ rasch in der Chipindustrie einsetzen könnte“, unterstreicht TU Forscher Weber.
Der entscheidende Vorteil des nun gezeigten Herstellungsverfahrens ist, dass unabhängig von der Silizium-Germaniumzusammensetzung hochqualitative Kontakte hergestellt werden können. „Wir sind davon überzeugt, dass die vorgestellten abrupten, robusten und zuverlässigen Metall-Halbleiter Kontakte für eine Vielzahl neuer nanoelektronischer, optoelektronischer und Quantenbauelementen hochinteressant sind“, resümiert Walter Weber von der TU Wien.