Wir brauchen sie für Photovoltaik, Transistoren für Computerchips, LEDs, Bildsensoren oder Strahlungsdetektoren. Aber was sind eigentlich Halbleiter?

Halbleiter heißen Halbleiter, weil ihre elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren, wie zum Beispiel Glas, und Leitern, wie zum Beispiel Metallen, liegt. Ganz besonders wichtig ist, dass die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt beeinflusst werden kann – ein entscheidender Vorteil für Anwendungen in Photovoltaik und Mikroelektronik. Die Physik kann die Eigenschaften der Halbleitermaterialien durch gezielte Veränderungen ihres atomaren Kristallgitters beeinflussen; das nennen wir Verunreinigungsdotierung.

Im Dotierungsprozess von Halbleitermaterialien werden Elektronen eingebracht oder „entnommen“. Denn nur ein freies Elektron, das nicht in der Kristallstruktur gebunden ist, kann Strom transportieren. Für den Halbleiter Silizium können solche konventionellen Verunreinigungsdotanden beispielsweise Phosphor, Arsen oder Bor sein.

Für neue Anwendungen – insbesondere bei Quantencomputern – müssen die Mikrochips nun immer kleiner, kältetauglich und effizienter werden, richtig?

Genau. Anforderung ist ein geringeres Volumen der auf den Mikrochips aufgebrachten Transistoren bei gleichzeitig besserer Leistung und weniger Stromverbrauch! Seit etwa zehn Jahren sind Transistoren, die mit der klassischen Verunreinigungsdotierung hergestellt werden, aber nicht mehr weiter miniaturisierbar. Ihre charakteristischen physischen Abmessungen stagnieren bei 15-20 Nanometern. 

Eine weitere Herausforderung sind Quantencomputer, die meist nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius betrieben werden müssen, um die Qubits stabil zu halten. Qubits sind die grundlegende Informationseinheit, die zum Kodieren von Daten im Quantencomputing verwendet wird. Um Daten mit einem Quantencomputer auszutauschen, wird man aber weiterhin mit der bewährten Elektronik arbeiten – die wiederum nicht auf den Betrieb bei dieser Kälte ausgelegt ist. Da die freien Ladungsträger aus der konventionellen Dotierung des Halbleiters bei diesen Temperaturen einfrieren, geht die Kontrolle über die Leitfähigkeit verloren.

Welche Lösungen hat die Quantenmechanik für diese neue Anforderungen?

Hier kommt die von uns erforschte Modulationsdotierung ins Spiel. Dabei werden die Dotieratome vereinfacht gesagt nicht im Silizium selbst eingebaut, sondern in ultradünne Siliziumdioxid-Schichten an deren Oberfläche. Um trotz deren isolierender Eigenschaften einen Ladungstransfer zu realisieren, nutzen wir Nanodrähte und das sogenannte quantenmechanisches Tunneln. Da dabei die Kristallstruktur des Halbleiters unverändert bleibt, wird die Mobilität der Ladungsträger erhalten, was gut für die Energieeffizienz der Bauelemente ist. Zudem bleibt die Leitfähigkeit auch bei extremer Kälte erhalten.

Zusammen mit verschiedenen Kooperationspartnern konnten wir bereits erste modulationsdotierte Transistoren erfolgreich testen. Es bleibt aber noch ein großer Bedarf für Forschung und Entwicklung, um ultrakleine Transistoren mit optimierter Modulationsdotierung zu realisieren.

Wie klein ist „ultraklein“ für diesen Zweck?

Falls Transistorlängen von weniger als 10 Nanometern erreicht werden können, eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für die Energieeffizienz des Computings. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches menschliches Haar ist mit 0,1 Millimeter rund 10.000-Mal dicker.

Die neuen Prozesse zur Modulationsdotierung werden im Zentralen Reinraumlabor der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt. Was macht die Arbeit daran so spannend?

Ich arbeite mindestens einmal pro Woche selbst im Reinraum an der Modulationsdotierung mit verschieden Dünnschicht-Materialien und begleite Studierende sowie Promovierende. Während wir zusammen mit einem Kollegen im australischen Canberra über Computer-Simulationen die Eigenschaften der neuen Halbleiter-Oberflächenfunktionalisierungen sehr zuverlässig berechnen und modellieren können, brauchen wir das Experiment, um die Vorhersagen zu überprüfen. Im Reinraum bauen wir die Materialien nach dem berechneten „Rezept“ auf und messen dann Leitfähigkeit oder Ladungsträgerkonzentrationen. Anschließend ziehen wir Rückschlüsse darauf, was im Material tatsächlich passiert ist – und nutzen diese Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Prozesse.

Für die Herstellung von ultrakleinen Nano-Transistoren bekommt die Angewandte Physik übrigens in Kürze ein besonderes Gerät: Ein Elektronenstrahl-Lithographie System. Die Arbeit an den neuen Materialien wird dann sicherlich noch spannender!