Zukunftstechnologie: Richtig flache Chips ohne Silizium

Einzelne Lagen von Atomen bei Graphen (Bild: Wikimedia/CC-BY-SA 3.0)

Können Computerchips bald aus einzelnen Atomlagen hergestellt werden? Neue Materialien und Techniken machen es zumindest möglich - wann es so weit ist, kann aber noch niemand sagen.
Von Frank Wunderlich-Pfeiffer

Bei der Entwicklung von schnelleren und effizienteren Computerchips kommen Siliziumhalbleiter inzwischen an ihre Grenzen. Um sie weiter zu verbessern, müssen die Strukturen nicht nur immer weiter verkleinert werden, sondern auch dünner werden. Im Idealfall bestehen Transistoren und andere Bauteile bald nur noch aus einzelnen Lagen von Atomen. Schritt für Schritt kommen derzeit im Labor einzelne Techniken zusammen, die genau das möglich machen.

Die erste große Hürde ist, das passende Material für Halbleiterelemente zu finden. Graphen erschien lange Zeit als große Hoffnung für solche Bauteile. Einzelne Lagen aus Kohlenstoffatomen konnten von Graphit abgelöst werden und wurden so zum ersten "zweidimensionalen" Material. Aber Graphen hat keine natürliche Bandlücke. Wie in einem Metall stehen die Elektronen sofort als freie Ladungsträger zur Verfügung, ohne erst durch zusätzliche Energie in das Leitungsband befördert worden zu sein. Diese Hürde ist aber das Arbeitsprinzip jedes Transistors.

Ohne weitere Maßnahmen ist Graphen deswegen nicht als Halbleiter geeignet und damit auch nicht als Grundlage für neue Computerchips. Um trotzdem noch einen so flachen Halbleiter zu bekommen, braucht es entweder ein besseres Halbleitermaterial oder Tricks, mit denen Graphen doch noch die nötige Bandlücke bekommt. In den vergangenen Jahren haben Materialforscher beides versucht - und sind auf beiden Wegen fündig geworden.

Im vergangenen Jahr gelang es französischen und amerikanischen Forschern, Graphen mit einer Bandlücke von 0,5 Elektronenvolt zu erzeugen. Das ist zwar weniger als die Hälfte des Werts von Silizium, sollte aber für elektronische Anwendungen ausreichen. Dazu erhitzten sie Siliziumcarbid auf 1360 Grad, woraufhin sich die oberste Schicht des Materials zersetzte und Graphen zurückließ. Die Interaktion zwischen dem Graphen und dem Siliziumcarbid führte dann zu der Bandlücke.

Weg vom Graphen

Das ist reine Grundlagenforschung und führt allein noch nicht zu einem brauchbaren Transistor. Ein Halbleiter muss nicht nur eine Bandlücke aufweisen, sondern auch zuverlässig und mit möglichst wenigen ungewollten Störstellen hergestellt werden. Anschließend muss der Halbleiter dotiert werden. Einzelne Atome werden als Störstellen eingefügt, die Ladungsträger bereitstellen (n-Typ) oder Fehlstellen erzeugen (p-Typ).

Hier sind andere Materialien viel weiter. Graphen ist nicht mehr das einzige zweidimensionale Material. Inzwischen wurden auch echte Halbleiter gefunden, die in einzelnen Lagen hergestellt werden können. Stoffe wie Molybdän oder Wolfram können zusammen mit Schwefel oder Selen echte Halbleiter bilden. Molybdänsulfid hat beispielsweise eine natürliche Bandlücke von 1,8 Elektronenvolt und ist damit als Halbleiter gut geeignet.

Schon 2014 wurden Feldeffekt-Transistoren aus dünnen Schichten von Molybdänsulfid hergestellt. Allerdings kann aus dem Stoff nur ein n-Typ-Halbleiter gefertigt werden, genauso wie aus ähnlichen Stoffen, die bis dahin bekannt waren. Für CMOS-Chips, die nur bei Schaltvorgängen Strom verbrauchen, werden allerdings beide Typen gebraucht, n-Typ und p-Typ.