Neue Transistoren-Generation aus Germanium?

Bereits in den 1960er Jahren löste Silizium das Germanium als Grundstoff für Transistoren ab. Doch ein neues Verfahren macht Germanium-Transistoren für die Entwicklung schnellerer Chips wieder interessant.

Germanium in einem CMOS-Schaltkreis
Germanium in einem CMOS-Schaltkreis

Dresden-Rossendorf - Bisher waren Silizium und sein isolierendes Oxid aufgrund ihrer Eigenschaften am besten geeignet für elektronische Schalter. Bei kleineren Transistoren mit hoher Leistungsfähigkeit ist die Oxidschicht jedoch so dünn, dass verstärkt Ladungsverluste und Abwärme auftreten. Um die Isolation wieder herzustellen, muss das Oxid mit sogenannten High-k Materialien ersetzt werden. Wissenschaftlern des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) ist es nun gelungen, Transistoren aus Germanium weiterzuentwickeln, die auch in kleinerem Maßstab ihre Leitfähigkeit beibehalten.

Damit ein Halbleiter als Transistor arbeiten kann, werden Fremdatome in seine Struktur implantiert. Die Halbleiter-Kristalle werden dadurch stark geschädigt, deshalb müssen sie während einer anschließenden Wärmebehandlung „ausheilen“. Bislang war die Herstellung von n-Kanal-Transistoren (NMOS) aus Germanium nicht möglich, weil die implantierten Phosphoratome sich während des Ausheilens zu stark im Kristall verteilten. Dies verschlechterte die elektronischen Eigenschaften des Materials.

Die Physiker des FZD lösten das Problem, indem sie eine Blitzlampen-Anlage entwickelten, die einen Lichtblitz von nur wenigen Millisekunden erzeugt. Darunter heilen Germanium-Kristalle sehr rasch aus und den Phosphoratomen bleibt keine Zeit zur Umverteilung. Die Analyse der Proben erfolgte in Zusammenarbeit mit dem belgischen Mikroelektronik-Forschungszentrum IMEC in Leuven und dem Dresdner Fraunhofer-Center Nanoelektrische Technologien.

Gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland, Dänemark und den USA untersuchen die Physiker des FZD noch eine weitere Methode, mit der sie den gleichen Effekt erzielen wollen. Dabei vernichten Protonenstrahlen Leerstellen im Kristallgitter und verhindern so das Wandern der Phosphoratome.