Legierung aus Elementen der vierten Hauptgruppe
Neuer Halbleiter für die Chips der Zukunft
Mit der neuen Legierung lassen sich Eigenschaften so feinjustieren, dass Bauelemente möglich werden, die mit reinem Silizium nicht realisierbar wären: etwa für optische Komponenten oder in Quantenschaltungen. Die Strukturen lassen sich direkt bei der Herstellung auf dem Chip erzeugen. Denn Elemente, die zur selben Hauptgruppe gehören wie Silizium, fügen sich nahtlos ins Kristallgitter auf dem Wafer ein. Elemente anderer Gruppen stören das empfindliche Gefüge. Das zugrunde liegende Verfahren heißt Epitaxie, ein Schlüsselprozess der Halbleitertechnologie, bei dem dünne Schichten "atomgenau" auf einem Substrat abgeschieden werden.
Verzahnung von Optik und Elektronik
Schon zuvor war es Forscherinnen und Forscher um Dan Buca gelungen, Silizium, Germanium und Zinn zu kombinieren und daraus Transistoren, Photodetektoren, Laser und LEDs zu entwickeln – oder thermoelektrische Materialien. Die Hinzunahme von Kohlenstoff erweitert nun die Möglichkeiten, die Bandlücke – entscheidend für das elektronische und photonische Verhalten – gezielt einzustellen. "Ein Beispiel ist ein Laser, der auch bei Raumtemperatur funktioniert. Viele optischen Anwendungen aus der Silizium-Gruppe stehen noch ganz am Anfang", erläutert Dan Buca. "Auch für die Entwicklung von geeigneten Thermoelektrika ergeben sich neue Möglichkeiten, um Wärme in Wearables und Computerchips in elektrische Energie umzuwandeln."
Gegensätze im Gitter vereint
Die Herstellung der neuen Legierung galt lange als kaum machbar, begründet in unterschiedlichen Atomgrößen von Kohlenstoff und Zinn und unterschiedlichen Bindungskräften. Erst durch genaues Einstellen der Herstellungsprozesse gelang es, diese Gegensätze zu vereinen. Dies gelang mit einer industriellen CVD-Anlage vom Unternehmen Aixtron, einem Gerät, wie es auch in der Chipproduktion genutzt wird. Das Ergebnis: ein Material von hoher Qualität, gleichmäßig zusammengesetzt. Daraus entstand auch erstmals eine Leuchtdiode, die auf sog. Quantentopfstrukturen aus den vier Elementen Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn aufbaut – ein wichtiger Schritt in Richtung neuer optoelektronischer Bauelemente.
"Das Material bietet eine bislang einzigartige Kombination aus abstimmbaren optischen Eigenschaften und Silizium-Kompatibilität", sagt Prof. Dr. Giovanni Capellini vom IHP, der seit mehr als zehn Jahren mit Dan Buca zusammenarbeitet, um die Anwendungspotenziale neuer Gruppe-IV-Halbleiter zu erschließen. "Damit schaffen wir die Grundlage für skalierbare photonische, thermoelektrische und quantentechnische Bauelemente."
Publikation:
Omar Concepción, Ambrishkumar J. Devaiya, Marvin H. Zoellner, Markus A. Schubert, Florian Bärwolf, Lukas Seidel, Vincent Reboud, Andreas T. Tiedemann, Jin-Hee Bae, Alexei Tchelnokov, Qing-Tai Zhao, Christopher A. Broderick, Michael Oehme, Giovanni Capellini, Detlev Grützmacher, Dan Buca; Adaptive Epitaxy of C-Si-Ge-Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures, Advanced Materials 2025, 2506919. DOI:10.1002/adma.202506919
Quelle: Forschungszentrum Jülich
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