Je kleiner elektronische Bauteile werden, umso komplexer wird deren Herstellung. Seit Jahren ist das ein großes Problem der Chip-Industrie. An der TU Wien gelang es nun erstmals, einen Silizium-Germanium (SiGe)-Transistor mit einem alternativen Ansatz herzustellen, der in Zukunft nicht nur kleinere Dimensionen ermöglicht, sondern dabei auch noch schneller ist, weniger Energie braucht, und bei extrem niedrigen Temperaturen funktioniert, was für Quanten-Chips wichtig ist.
Der entscheidende Trick liegt in der Oxidschicht, die den Halbleiter isoliert: Sie wird dotiert und erzeugt eine Wirkung mit langer Reichweite, die in den Halbleiter hineinreicht. Die Technik wurde von TU Wien, JKU Linz und Bergakademie Freiberg entwickelt.
Dotierung: Verunreinigung nach Plan
Bisherige elektronische Bauteile beruhen auf dotierten Halbleitermaterialien. Man verwendet Elemente wie Silizium oder Germanium und fügt dann gezielt eine kleine Menge von Fremdatomen hinzu. Statt eines reinen, regelmäßigen Kristalls bekommt man somit einen Kristall, an dem sich an zufälligen Stellen Fremdatome einlagern. Dadurch verändern sich die elektronischen Eigenschaften des Materials völlig: Durch die Anwesenheit der Fremdatome, die man als „Dotierung“ bezeichnet, ändert sich die Beweglichkeit elektrisch geladener Teilchen und damit die elektrische Leitfähigkeit des Materials. Dieser Prozess, der über Jahrzehnte kontinuierlich angepasst wurde, ist einer der Grundpfeiler unserer modernen Mikroelektronik.
„Bei Bauteilen im Nanometerbereich stößt man mit dieser Methode jedoch zunehmend an Grenzen“, erklärt Andreas Fuchsberger, Erstautor der neuen Studie vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Je kleiner der Transistor, desto stärker wirken sich zufällige Schwankungen bei der Dotierung aus. Da Mikroelektronik auf der Verschaltung vieler Millionen bis Milliarden Transistoren basiert, führt das zu immer größeren Herausforderungen.“
Auch Temperaturempfindlichkeit wird dann zum Problem: Zu heiß dürfen elektronische Bauteile ohnehin nicht werden, aber auch allzu kalte Temperaturen sind schlecht, weil sich dann die Ladungsträger nicht mehr gut genug bewegen können. Das ist etwa bei Quantencomputer-Anwendungen kritisch: Dort müssen Quanten-Bits, die oft fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt werden müssen, mit klassischen elektronischen Transistoren kombiniert werden um diese zu steuern und auszulesen, die dann ebenfalls sehr kalt werden.
Sauberer Kristall, bedeckt mit dotierter Oxidschicht
„Unsere Lösung für diese Probleme ist eine neue Form der Dotierung – die sogenannte Modulations-Akzeptor-Dotierung. Dabei werden die Eigenschaften des Halbleiters durch Fernkopplung eingestellt“, sagt Prof. Walter Weber, der die Forschungsgruppe für nanoelektronische Bauteile an der TU Wien leitet. Anstatt die Halbleiterkristalle selbst zu dotieren, wird die Oxidschicht dotiert, die das Halbleitermaterial isoliert. „Dadurch kann man erreichen, dass die Oxidschicht die Leitfähigkeit des Halbleiters verbessert, ohne dass man im Kristall selbst Fremdatome einbauen muss“, erklärt Weber. Ähnlich wie ein Magnet durch andere Materialien hindurch wirken kann, kann auch eine Veränderung der Oxidschicht seine Wirkung im Halbleitermaterial aus der Ferne entfalten, auch wenn dieses Material selbst nicht dotiert wird.
Experimente mit dieser Modulations-Akzeptor-Dotierung (MAD) gab es zwar bereits in sogenannten Gruppe III-V Verbindungshalbleiter und in Silizium, doch die Forschungsgruppe der TU Wien in Kooperation mit der Bergakademie Freiberg und der Johannes Kepler Universität Linz ist die erste, der es gelang, diesen Effekt auf dem wichtigen Halbleiter Silizium-Germanium nachzuweisen und darüber hinaus auf diese Weise einen funktionsfähigen SiGe Transistor herzustellen.
Das ist insbesondere industrierelevant, da man bestrebt ist den Ge-Anteil in Transistoren stetig zu erhöhen, um schnellere Schaltzeiten und einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen. In Quanten-Chips könnten darüber hinaus Quanteninformationen schneller und mit niedrigeren Energieverlusten verarbeitet werden. Die Messergebnisse sind äußerst vielversprechend: „Wir konnten zeigen, dass die MAD-Technologie eine über 4.000-fach erhöhte Leitfähigkeit, ein verbessertes Einschaltverhalten und einen geringeren Energieverbrauch aufweist, sagt Dr. Masiar Sistani. „Das kann den Weg für eine neue Generation vielfältig einsetzbarer Nanotransistoren ebnen.“
Fit für Quantenchips
Besonders interessant ist die neue Technologie auch für Quantenchips: „Die Relevanz von Quantentechnologien nimmt immer mehr zu. Diese brauchen jedoch nach wie vor klassische Elektronik, etwa um die Quantensysteme zu steuern oder auszulesen. Das bedeutet, dass herkömmliche Transistoren in ganz enger räumlicher Nähe zu ultrakalten Quanten-Bauteilen arbeiten müssen“, sagt Dr. Sistani. „Dort versagt die herkömmliche Dotierungs-Technologie häufig – man spricht dann vom „Ausfrieren“ der Ladungsträger. Unsere Technologie umgeht diese Probleme. Die Dotierung der Oxidschicht bleibt auch bei extrem tiefen Temperaturen wirksam.“
