Silizium-Ersatz für Computerchips Germanium-Zinn-Mix könnte Silizium ablösen

Am Forschungszentrum Jülich hat man einen neuartigen Transistor aus einer Germanium-Zinn-Legierung gefertigt, der im Vergleich zu herkömmlichen Schaltelementen einige Vorteile aufweist.

Etwa alle zwei Jahre verdoppelte sich in den letzten 70 Jahren die Anzahl der Transistoren auf einem Chip, heißt es ganz nach dem noch heute gültigen Mooreschen Gesetz. Entsprechend kleiner wurden die Schaltkreise. Doch ein Ende der Entwicklung scheint absehbar. Denn inzwischen ist man bei Strukturen angekommen, die nur noch 2 bis 3 Nanometer messen. „Das entspricht etwa zehn Atomdurchmessern. Damit bewegt man sich an den Grenzen des Machbaren, viel kleiner geht es nicht“, erklärt Professor Qing-Tai Zhao vom Peter Grünberg Institut (PGI-9) des Forschungszentrums Jülich.

Deshalb suchen Forscher schon länger nach einem Ersatz für Silizium, bekanntlich dem Grundstoff der Halbleiterindustrie. Die Idee sei, ein Material zu finden, das günstigere elektronische Eigenschaften aufweise und mit dem man die gleiche Leistung bei größeren Strukturen erzielen könne.

Germanium-Zinn-Legierung macht Elektronen beweglicher

Im Fokus der Forschung steht unter anderem ein Material, das bereits in den Anfängen der Computerära zum Einsatz kam – das Element Germanium. Denn Elektronen können sich darin deutlich schneller bewegen als in Silizium (zumindest in der Theorie). Qing-Tai Zhao und seine Kollegen gingen jetzt noch einen Schritt weiter. Um die elektronischen Eigenschaften zu optimieren, bauten sie Zinnatome in das Germaniumkristallgitter ein. Das Verfahren wurde vor einigen Jahren am PGI-9 entwickelt, wie die Experten anmerken. Das Germanium-Zinn-System, das derzeit untersucht werde, mache es möglich, die physikalischen Grenzen der Siliziumtechnologie zu überwinden. Der Transistor aus Germanium-Zinn-Legierung zeigt in Experimenten etwa eine 2,5-fach höhere Elektronenbeweglichkeit als ein vergleichbarer Transistor aus reinem Germanium.

Ein weiterer Vorteil, ist, dass das neue Material mit dem bestehenden CMOS-Prozess zur Chipherstellung kompatibel ist. Germanium und Zinn stammen außerdem aus der gleichen Hauptgruppe im Periodensystem wie das Silizium. Die Germanium-Zinn-Transistoren ließen sich deshalb mit bestehenden Produktionslinien direkt in konventionelle Siliziumchips integrieren.

Neue Transistorlegierung auch für Quantencomputer attraktiv

Außer klassische Digitalrechner könnten auch Quantencomputer von dem Germanium-Zinn-Transistor profitieren. Denn schon länger gebe es Bestrebungen, Teile der Steuerelektronik direkt auf dem Quantenchip zu applizieren, der im Innern eines Quantencomputers bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben wird. Messungen in Jülich ließen den Schluss zu, dass Germanium-Zinn-Transistoren unter diesen Bedingungen deutlich besser funktionieren als die Siliziumklassiker.

Die Herausforderung bestehe darin, einen Halbleiter zu finden, der auch bei tiefsten Temperaturen noch mit geringen Spannungen schaltbar sei. Für Silizium flacht diese Schaltkurve unterhalb von 50 Kelvin ab. Die Transistoren benötigen dann eine relativ hohe Spannung und viel Energie, um zu funktionieren. Die entstehende Wärme führe letztlich zu Störungen der empfindlichen Quantenbits. „Der Germanium-Zinn-Mix schneidet bei Messungen aber um bis zu 12 Kelvin besser ab. Deshalb besteht die Hoffnung, dass das Material auch bei noch niedrigeren Temperaturen einsetzbar ist“, glaubt Qing-Tai Zhao.

Neue Chance für die optische Datenübertragung

Der Germanium-Zinn-Transistor könnte sich auch als nützlicher Baustein für die optische „On Chip“-Datenübertragung erweisen. Die Übermittlung von Informationen mit Lichtsignalen ist nicht zuletzt bereits in vielen Datennetzen Standard, weil sie erheblich schneller und energiesparender ist als der Transfer über elektrische Leiterbahnen. Im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik würden Daten dagegen meist noch elektrisch übertragen. Institutskollegen der Jülicher Arbeitsgruppe von Dr. Dan Buca haben in der Vergangenheit bereits einen Germanium-Zinn-Laser entwickelt, der die Möglichkeit schafft, Daten direkt auf einem Siliziumchip optisch zu übertragen. Der Germanium-Zinn-Transistor gilt nun als ein weiterer Baustein, um die optische und elektrische Datenübertragung zu vereinen.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Maschinenmarkt.

(ID:49455480)