Sehr dünne Halbleiter für kleinere Schaltkreise

Nur drei Atomlagen dicke Schichten einer Molybdänverbindung können übereinander gestapelt hervorragende elektronische Eigenschaften zeigen. Mit solch einem Material könnten Computerchips entwickelt werden, die sehr viel mehr Transistoren pro Fläche enthalten, als es mit dem etablierten Halbleitermaterial Silizium überhaupt möglich ist. Forschern der Cornell University in New York ist es gelungen, große, 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.

Regelmäßige, sechseckige Muster von Atomen, die mit Schwefel und Molybdän beschriftet sind.
Molybdänsulfid-Schichten unter dem Elektronenmikroskop

„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. 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 sehr dünne 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 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 namens Dotierung 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.