Halbleiterfertigung: Borarsenid soll bester Halbleiter sein
Auf Basis von Silizium werden die meisten Halbleiter gefertigt. Ein Grund dafür ist die hohe Verfügbarkeit, zudem können industriell hochreine Einkristalle zu recht geringen Kosten hergestellt werden. Andere Halbleitermaterialien haben aber deutlich bessere Eigenschaften, und mit Borarsenid denken Forscher, das beste Material gefunden(öffnet im neuen Fenster) zu haben. Mit im Magazin Science veröffentlichten(öffnet im neuen Fenster) Messungen konnte das erstmals belegt werden.
Dass Borarsenid deutlich bessere Eigenschaften hat als Silizium, wurde zuerst theoretisch vorhergesagt. Das geschah mittels quantenmechanischer Modelle, eine Messung am realen Kristall gestaltete sich schwierig. Hierzu mussten zuerst die Messmethoden verfeinert werden. Durch Anregung mit einem Laser konnte gezeigt werden, dass bei Borarsenid-Einkristallen Elektronen- und Lochleitung gleichmäßig ausgeprägt sind.
Hier liegt einer der Nachteile von Silizium: Die Lochleitung mit p-Dotierung ist deutlich schlechter als die Elektronenleitung mit n-Dotierung. Ein Problem, da Logikschaltungen mit CMOS-Technik(öffnet im neuen Fenster) gefertigt werden, die beide Leitungsarten nutzt. Das zweite Problem von Silizium ist seine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit. Sie macht das Abführen der Abwärme zunehmend zum Problem und auch hier wird es von Borarsenid übertroffen. Laut der Forscher ist nur Diamant, also reiner Kohlenstoff, noch besser.
Herstellung ist leider kompliziert
Mit anderen Halbleitern wie Galliumnitrid hat Borarsenid eines gemeinsam: Es ist sehr aufwendig herzustellen. Hier ist der Anhang(öffnet im neuen Fenster) zum oben verlinkten Science-Artikel interessant. In dem beschreiben die Forscher den Herstellungsprozess, einige Schritte davon dauern Wochen. Um seine herausragenden Eigenschaften zu erreichen, muss die Gitterstruktur des Halbleitermaterials möglichst defektfrei sein. Sie muss regelmäßig gewachsen und möglichst rein, also frei von anderen Elementen, sein.
Der Kristall wird mittels chemischer Transportreaktion(öffnet im neuen Fenster) (Chemical Vapor Transport, CVT) auf einem Substrat wachsen gelassen. Als geeignet erwies sich Galliumarsenid, die geringste Defektdichte erzielten die Forscher, wenn sie zuvor erzeugte Borarsenid-Kristalle erneut verdampften. Um Silizium zu ersetzen, muss die Herstellung allerdings in industriellem Maßstab erfolgen. Das sieht Gang Chen, Professor am MIT und Mitautor der Veröffentlichung, als Herausforderung: "Ob tatsächlich ein Produkt daraus wird, muss, denke ich, noch gezeigt werden." Bei Galliumarsenid erforderte dies jahrelange Forschung(öffnet im neuen Fenster) .