Halbleitermaterialien Defekte im Chipmaterial haben auch ihre Vorteile

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Computerchips aus Silizium haben uns mehr als ein halbes Jahrhundert lang gute Dienste geleistet. Die kleinsten Merkmale der aktuell fortgeschrittensten Chips sind etwa 3 nm groß – eine verblüffend geringe Größe, wenn man bedenkt, dass ein menschliches Haar etwa 80.000 nm breit ist.

Die Verkleinerung der Merkmale auf den Hochleistungs-Chips der Zukunft wird uns helfen, unseren endlosen Bedarf an mehr Speicher und Verarbeitungsleistung zu befriedigen, der auf unserer Hand liegt – etwa in Form von Smartphones und Wearables. Die Grenzen dessen, was sich mit Standardmaterialien erreichen lässt, sind allerdings langsam absehbar. Es muss also Forschung betrieben werden, um nach neuen, leistungsfähigeren Materialien zu forschen, wenn man sich nicht auf die Möglichkeiten von GaN (Galliumnitrid) und SiC (Siliziumkarbid) allein verlassen will.

Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) setzen ihr Fachwissen in den Bereichen Physik, Chemie und Computermodellierung ein, um die nächste Generation von Computerchips zu entwickeln. Dabei suchen sie nach Verfahren und Materialien, mit denen Chips mit kleineren Merkmalen hergestellt werden können. „Alle unsere derzeitigen elektronischen Geräte verwenden Chips aus Silizium, einem dreidimensionalen Material. Jetzt investieren viele Unternehmen viel in Chips aus zweidimensionalen Materialien“, so Shoaib Khalid, Forschungsphysiker am PPPL. „Diese Materialien existieren zwar in drei Dimensionen, sind aber so dünn – oft bestehen sie nur aus wenigen Atomschichten –, dass die Wissenschaftler sie 2D nennen.“

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Auf der Suche nach dem nächsten 2D-Kicker

Gemeinsam mit Bharat Medasani vom PPPL und Anderson Janotti von der University of Delaware untersuchte Khalid einen möglichen Ersatz für Silizium: ein 2D-Material, das als Übergangsmetall-Dichalcogenid (TMD) bekannt ist. Ihre neue Forschungsarbeit, die in der Fachzeitschrift „2D Materials“ veröffentlicht wurde, beschreibt detailliert die Variationen, die in der atomaren Struktur von TMD auftreten können, warum sie auftreten und wie sie das Material beeinflussen.

Die Informationen über diese Variationen bilden die Grundlage für die Verfeinerung der Prozesse, die für die Herstellung von Computerchips der nächsten Generation erforderlich sind. Letztlich geht es darum, plasmabasierte Fertigungssysteme zu entwickeln, mit denen Halbleiter auf TMD-Basis hergestellt werden können, die genau den für die jeweilige Anwendung erforderlichen Spezifikationen entsprechen.

TMD: Ein winziges Metall-Sandwich

Ein TMD kann so dünn sein wie drei Atome hoch. Stellen Sie es sich wie ein winziges Metallsandwich vor. Das Brot besteht aus einem chalkogenen Element: Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur. Die Füllung ist eine Schicht aus einem Übergangsmetall – ein beliebiges Metall der Nebengruppen 3 bis 12 im Periodensystem der Elemente; etwa aus der Eisen-, Mangan- oder Kupfergruppe.

Ein Massen-TMD besteht aus fünf oder mehr Atomschichten. Die Atome sind in einer Kristallstruktur oder einem Gitter angeordnet. Im Idealfall sind die Atome im gesamten Gitter in einem präzisen und gleichmäßigen Muster zu sehen. In der Realität können kleine Veränderungen im Muster gefunden werden. An einer Stelle des Musters kann ein Atom fehlen, oder ein Atom befindet sich an einer ungewöhnlichen Stelle. Wissenschaftler bezeichnen diese Veränderungen als Defekte, aber sie können sich positiv auf das Material auswirken.

Einige TMD-Defekte können den Halbleiter etwa elektrisch leitfähiger machen. Ob gut oder schlecht, es ist wichtig, dass Wissenschaftler verstehen, warum Defekte auftreten und wie sie sich auf das Material auswirken, damit sie diese Defekte bei Bedarf einbauen oder beseitigen können. Das Verständnis häufiger Defekte ermöglicht es den Forschern auch, die Ergebnisse früherer Experimente mit TMDs zu erklären. „Wenn TMDs in Masse hergestellt werden, verfügen sie über überschüssige Elektronen“, sagte Khalid und fügte hinzu, dass die Forscher nicht sicher waren, warum diese überschüssigen negativ geladenen Teilchen vorhanden waren. „In dieser Arbeit erklären wir, dass die überschüssigen Elektronen durch Wasserstoff verursacht werden können.“

Die Forscher kamen zu diesem Schluss, nachdem sie die Energiemenge berechnet hatten, die zur Bildung verschiedener Arten von TMD-Defekten erforderlich wäre. Sie untersuchten Defekte mit Chalkogen-Leerstellen, von denen bereits bekannt war, dass sie in TMDs vorkommen, und Defekte mit Wasserstoff, da dieses Element bei der Herstellung von Chips häufig vorkommt. Das Team untersuchte dann die Rolle der einzelnen Defekte mit geringer Bildungsenergie. Speziell wollten sie wissen, wie sich jede Defektkonfiguration auf die elektrische Ladung des Materials auswirken könnte.

Man fand heraus, dass eine der Defektkonfigurationen mit Wasserstoff überschüssige Elektronen liefert, wodurch ein negativ geladenes Halbleitermaterial entsteht, das als n-Typ bezeichnet wird. Für die Herstellung von Computerchips werden Kombinationen aus n-Typ-Halbleitermaterial und positiv geladenem Material, dem p-Typ, verwendet.

Licht auf fehlende Chalkogene werfen

Die andere Art von Defekt, die in der Arbeit untersucht wurde, ist als Chalkogen-Vakanz bekannt: ein fehlendes Sauerstoff-, Schwefel-, Selen- oder Telluratom, je nach Art des TMDs. Die Forscher konzentrierten sich darauf, die Ergebnisse früherer Experimente an Flocken des TMD-Materials Molybdändisulfid zu erklären. Bei den Experimenten, bei denen man das TMD mit Licht bestrahlte, wurden unerwartete Frequenzen des vom TMD ausgehenden Lichts festgestellt. Es stellte sich heraus, dass diese unerwarteten Frequenzen durch die Bewegung von Elektronen im Zusammenhang mit der Chalkogenlücke erklärt werden können.

„Dies ist ein häufiger Defekt. Man kann ihn oft auf den Bildern von Rastertunnelmikroskopen sehen, wenn sie den TMD-Film wachsen lassen“, so Khalid. „Unsere Arbeit bietet eine Strategie, um das Vorhandensein dieser Leerstellen in der Masse der TMDs zu untersuchen. Wir haben frühere experimentelle Ergebnisse bei Molybdändisulfid erklärt und dann Ähnliches für andere TMDs vorhergesagt.“

Das von den Forschern vorgeschlagene Verfahren beinhaltet die Analyse des TMD auf Defekte mithilfe von Messtechniken, die als Photolumineszenz bezeichnet werden, um zu sehen, welche Lichtfrequenzen von dem Material emittiert werden. Anhand der Spitzenfrequenz des Lichts lassen sich die Elektronenkonfigurationen der Atome im TMD und das Vorhandensein von Chalkogen-Defekten bestimmen.

Der Bericht enthält Informationen über die Frequenzen, die von fünf Arten von TMDs mit Chalkogen-Leerstellen, einschließlich Molybdändisulfid, emittiert werden würden. Die Ergebnisse bieten daher einen Leitfaden für die Untersuchung von Chalkogen-Leerstellen in zukünftigen Experimenten. (sb)

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