Halbleiterfertigung: Borarsenid soll bester Halbleiter sein

Silizium ist das wichtigste Halbleitermaterial, aber nicht das beste. Borarsenid kann alles besser, das konnten MIT-Forscher bestätigen.

Artikel veröffentlicht am 1. August 2022, 12:30 Uhr, Johannes Hiltscher

Ob Borarsenid tatsächlich einmal Silizium in Halbleitern ersetzt, ist noch offen. (Bild: Flickr, Montage: Golem.de)

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 zu haben. Mit im Magazin Science veröffentlichten 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 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 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 (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.