Flotter als in Silizium: In dünnen Germanium-Schichten bewegen sich Elektronen zehnmal schneller

Neues Verfahren erlaubt erstmals die Fertigung von einatomigen Lagen aus dem Halbleiter Germanium - Anwendungen für Chips und Solarzellen möglich
Schillernder Kristall aus dem Halbleiter Germanium
Schillernder Kristall aus dem Halbleiter Germanium
© Jurii, http://images-of-elements.com/germanium.php, Creative Commons Attribution 3.0 Unported
Columbus (USA) - Je schneller sich Elektronen in einem Halbleiter bewegen können, desto flotter kann ein Computerchip schalten. Hauchdünne Schichten aus Germanium stellten nun den etablierten Halbleiter Silizium weit in den Schatten. Die Elektronen bewegten sich bis zu zehnmal schneller, fanden amerikanische Chemiker heraus. Wie sie in der Fachzeitschrift „ACS Nano“ berichten, waren nur ein Atom dünne Lagen für die hohe Elektronenmobilität verantwortlicht. Diese Vorteile könnten nicht nur für extrem schnelle Transistoren, sondern auch für bessere Solarzellen genutzt werden.

„Wenn man Transistoren immer kleiner machen will, braucht man ein Material mit hoher Elektronenbeweglichkeit. Sonst werden die Chips nicht funktionieren“, sagt Joshua Goldberger von der Ohio State University in Columbus. Dass sich Elektronen in Germaniumkristallen prinzipiell etwas schneller als in Silizium bewegen können, war schon vorher bekannt. Doch eine zehnfache Geschwindigkeit ermöglichten erst die extrem dünnen Schichten, die zuvor nicht hatten gefertigt werden können. Einatomige Germanium-Schichten waren nicht stabil und lagerten sich zu dickeren Kristallen zusammen.

Dieses Problem lösten die Forscher in ihrem Labor mit einem ausgeklügelten Produktionsverfahren. Sie stapelten einatomige Germanium-Schichten auf einer Unterlage und trennten die einzelnen Lagen mit Kalziumatomen. Danach spülten sie die Kalziumatome mit Wasser aus der Probe heraus. Zugleich lagerte sich Wasserstoff an die Germanium-Schichten an und stabilisierte diese. Das so entstandene Material tauften sie Germanan.

Schon der allererste Transistor überhaupt wurde 1947 in den amerikanischen Bell Labs aus Germanium gefertigt. Doch später konnte sich dieser Halbleiter gegen Silizium nicht durchsetzen. Nun besteht eine Chance, dass Germanium-Schichten wieder für den Bau von speziellen Chips verwendet werden könnte. Doch bis dahin gilt es, Verfahren zu entwickeln, die eine Massenfertigung ermöglichen könnten. Wegen der hohen Kosten für eine Chipfabrik und der ausgefeilten Siliziumtechnologie bleibt es allerdings unwahrscheinlich, dass Silizium auf breiter Front von Germanium verdrängt werden wird. Dank seiner elektronischen Eigenschaften könnte es stattdessen auch für optische Schaltmodule oder effizientere Solarzellen genutzt werden.

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