Technologie

Schneller rechnen mit Germanium

09.11.2022 - Material aus Silizium und Germanium ermöglicht schnellere und effizientere Computerchips.

Neben Silizium wird nur in ganz bestimmten Bauelementen auch eine geringe Menge an Germanium beigemischt. Es gibt aber gute Gründe in Zukunft höhere Germanium­anteile zu verwenden: Der Verbindungs­halbleiter Silizium-Germanium hat nämlich entscheidende Vorteile gegenüber der heutigen Silizium-Technologie, was Energie­effizienz und die erreichbaren Takt­frequenzen betrifft. Das Hauptproblem dabei ist, auf technisch zuverlässige Weise Kontakte zwischen Metall und Halbleiter auf Nanoskala herzustellen. Das ist bei einem hohen Anteil an Germanium deutlich schwieriger als bei Silizium. An der TU Wien zeigte man nun aber zusammen mit Forschungs­teams aus Linz und Thun (Schweiz), dass sich dieses Problem lösen lässt – mit Kontakten aus kristallinem Aluminium mit extrem hoher Qualität und einem ausge­klügelten Silizium-Germanium Schichtsystem.

Dieses Zusammenspiel ermöglicht, in Abhängigkeit des Germanium­anteils im Silizium, unterschiedliche hoch­interessante Kontakt­eigenschaften – speziell für optoelektronische- und Quanten­bauelemente. „Jede Halbleiterschicht wird in konventionellen Verfahren automatisch verunreinigt, das lässt sich auf atomarer Ebene einfach nicht verhindern“, sagt Masiar Sistani vom Institut für Festkörper­elektronik der TU Wien. In erster Linie sind es Sauerstoffatome, die sich sehr rasch an der Oberfläche der Materialien anlagern – an der Oberfläche entsteht eine Oxidschicht. Bei Silizium ist das allerdings kein Problem: Silizium bildet nämlich immer genau die gleiche Art von Oxid aus. „Bei Germanium ist die Sache aber viel komplizierter“, erklärt Masiar Sistani. „In diesem Fall gibt es nämlich eine ganze Reihe unter­schiedlicher Oxide, die sich bilden können. Das bedeutet aber, dass unter­schiedliche nano­elektronische Bauteile eine stark unterschiedliche Oberflächen­zusammensetzung aufweisen und damit auch unterschiedliche elektronische Eigenschaften haben können.“

Wenn man nun einen metallischen Kontakt mit diesen Bauteilen verbinden möchte, hat man ein Problem: Auch, wenn man sich sehr bemüht, all diese Bauteile exakt auf die gleiche Weise herzustellen, ergeben sich trotzdem zwangsläufig massive Unterschiede – und dass macht das Material für den Einsatz in der Halbleiter­industrie komplex in der Handhabung. „Die Reproduzier­barkeit ist ein großes Problem“, sagt Walter Weber, Leiter des Instituts für Festkörperelektronik. „Wenn man germaniumreiches Silizium-Germanium verwendet, kann man sich nicht darauf verlassen, dass der elek­tronische Bauteil, nachdem man ihn mit Kontakten versehen hat, wirklich die Kennlinien aufweist, die man braucht.“ Daher wird dieses Material in der Chip­produktion nur begrenzt eingesetzt.

Das ist schade, denn Silizium-Germanium hätte entscheidende Vorteile: „Die Ladungsträger­konzentration ist höher, speziell positive Ladungsträger, die sogenannten Löcher, können sich in diesem Material viel effizienter bewegen als in Silizium. Das Material würde daher viel höhere Taktfrequenzen bei gesteigerter Energie­effizienz erlauben als unsere heutigen Silizium-Chips“, sagt Doktorand Lukas Wind. Nun konnte das Forschungsteam allerdings zeigen, wie sich das Problem lösen lässt: Man fand eine Methode, auf atomarer Skala perfekte Schnittstellen zwischen Aluminium­kontakten und Silizium-Germanium-Bauteilen zu erzeugen. In einem ersten Schritt wird ein Schichtsystem hergestellt, mit einer dünnen Silizium­schicht und dem eigent­lichen Material, aus dem die elek­tronischen Bauteile gemacht werden sollen – dem Silizium-Germanium.

Durch das kontrollierte Aufheizen der Struktur kann nun ein Kontakt zwischen dem Aluminium und dem Silizium hergestellt werden: Bei rund 500 Grad Celsius kommt es zu starker Diffusion: Die Atome können ihren Platz verlassen und zu wandern beginnen. Silizium und Germanium-Atome dringen relativ rasch in den Aluminiumkontakt ein, Aluminium füllt den freigewordenen Raum aus. „Durch die Diffusions­dynamik in dem verwendeten Schicht­system entsteht so eine Schnittstelle zwischen Aluminium und dem Silizium-Germanium mit einer extrem dünnen Silizium-Schicht dazwischen“, erklärt Masiar Sistani. Durch dieses Herstellungs­verfahren haben Sauerstoffatome gar nicht die Gelegenheit, an diese atomar-scharfe und hochreine Schnittstelle heranzukommen.

„Unsere Experimente zeigen, dass diese Kontaktstellen auf verlässliche und gut repro­duzierbare Weise hergestellt werden können“, sagt Weber. „Die techno­logischen Systeme, die man dafür braucht, werden bereits heute in der Chipindustrie eingesetzt. Es handelt sich also nicht bloß um einen Laborversuch, sondern um ein Verfahren, das man relativ rasch in der Chipindustrie einsetzen könnte. Der entscheidende Vorteil des präsentierten Herstellungs­verfahrens ist, dass unabhängig von der Silizium-Germanium­zusammensetzung hoch­qualitative Kontakte hergestellt werden können. „Wir sind davon überzeugt, dass die vorgestellten abrupten, robusten und zuverlässigen Metall-Halbleiter Kontakte für eine Vielzahl neuer nanoelek­tronischer, optoelektronischer und Quanten­bauelementen hochinteressant sind“, sagt Weber.

TU Wien / JOL

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