Nur drei Atomlagen dick – Hauchdünne Halbleiter für kleinere Schaltkreise

Ithaka (USA) - Dünner kann ein Halbleiter kaum sein: Nur drei Atomlagen einer Molybdänverbindung stapeln sich übereinander und zeigen dabei hervorragende elektronische Eigenschaften. Mit diesem Material könnten Computerchips mit sehr viel mehr Transistoren entwickelt werden als es mit dem etablierten Halbleiter Silizium überhaupt möglich ist. Auf diesem Weg schafften es nun US-Forscher, größere und gleichmäßige Flächen aus Molybdän- und Wolframsulfid zu fertigen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, ist dies eine wesentliche Voraussetzung für die Massenfertigung von Prozessoren, Leuchtdioden und nichtflüchtigen Datenspeichern.

„Mit diesem Material könnten atomar dünne Schaltkreise und elektronische Module möglich werden“, sagt Jiwoong Park vom Kavli Institute for Nanoscale Science an der Cornell University in Ithaka. Gemeinsam mit seinen Kollegen optimierte er ein Aufdampfverfahren, um Halbleiterschichten von einigen Quadratzentimeter Größe zu produzieren. Dazu verteilten sie geringe Mengen an Molybdän oder Wolframhexacarbonyl und Diethylsulfid in eine Atmosphäre aus Wasserstoff und Argon. Bei 550 Grad Celsius wuchsen über einen Zeitraum von 26 Stunden auf einer Unterlage aus Siliziumdioxid hauchdünne Schichten aus den Halbleitern Molybdän- und Wolframsulfid. Eine Qualitätskontrolle mit einem Elektronenmikroskop bestätigte den gewünschten gleichmäßigen Aufbau dieser nur drei Atomlagen dünnen Schichten.

Auf diesen wegen seiner geringen Dicke als zweidimensional bezeichneten Halbleiter lagerten die Forscher weitere Schichten ab. So entstand ein Areal von 200 Feldeffekttransistoren. Mit nur zwei defekten Transistoren war der Ausschuss bei diesem Produktionsprozess ausgesprochen gering. Die Beweglichkeit der Elektronen – ein wichtiger Maßstab für schnell schaltende Transistoren - erreichte durchweg gute Werte für diese neuartigen Halbleiter.

Für die Entwicklung zukünftiger Computerchips mit vielen Milliarden Transistoren könnten die atomar dünnen Schichten sehr interessant sein. „Dreidimensionale elektronische Strukturen können damit möglich werden“, schreiben Tobin J. Marks und Mark C. Hersam von der Northwestern University in Evanston in einem Begleitkommentar. Dieser Schritt zu räumlich aufgebauten Chip-Architekturen gestaltet sich mit herkömmlichen Silizium bisher sehr schwierig.

Doch bevor Chiphersteller wie Intel, AMD oder IBM diese zweidimensionalen Halbleiterschichten in ihrer Massenproduktion einsetzen können, müssen noch weitere Hürden überwunden werden. Mit einer geschickten Einpflanzung von Fremdatomen – Dotieren genannt – könnte die Beweglichkeit der Elektronen noch weiter gesteigert werden. Zudem sind die derzeit noch sehr hohen Temperaturen von 550 Grad zu hoch, um diese Halbleiter etwa auf flexible Kunststoffunterlagen zu deponieren. Auch die Dauer des Prozesses von 26 Stunden müsste verringert werden, um eine wirtschaftliche Massenfertigung zu ermöglichen.