Quantentopf-Chip Durchbruch bei der Herstellung von Halbleitern der IV. Hauptgruppe

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CMOS-kompatible Halbleiter, die auf Elementen der IV. Hauptgruppe basieren, bieten hohes Potenzial. Wissenschaftler haben jetzt eine stabile Legierung aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn hergestellt: CSiGeSn eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen an der Schnittstelle von Elektronik, Photonik und Quantentechnik.

In der Silizium-Elektronik hat die Siliziumphotonik (SiP) die Halbleiterplattform durch die Integration von Modulen auf Germaniumbasis erheblich erweitert, wodurch eine effiziente Lichtwellenleitung, Modulation und Photodetektion auf dem Chip möglich wurden.

In diesem Zusammenhang gewinnen Germanium-Zinn-Legierungen (GeSn) als CMOS-kompatible thermoelektrische Materialien mit direkter Bandlücke an Bedeutung. Das gezielte Einbringen von Zinn in das Ge- und SiGe-Gitter ermöglicht eine Optimierung von Bandlücke (entscheidend für das elektronische und photonische Verhalten) und Eigenspannungen. Damit lassen sich hochleistungsfähige optoelektronische Bauelemente wie Nanodraht-FETs, Fotodetektoren, Laser und LEDs realisieren. Zudem eröffnen diese Legierungen neue Möglichkeiten im Bereich der Spintronik.

Elektronik, Thermoelektrik, Spintronik on-Chip

Der technologische Durchbruch, der für die monolithische Integration von photonischen, elektronischen, thermoelektrischen und spintronischen Funktionen erforderlich ist und den Weg für komplexe, energieeffiziente integrierte Schaltungen ebnet, funktioniert nur mit Halbleitern auf Basis von Elementen der IV. Hauptgruppe: C, Si, Ge und Sn.

Derartige Legierungen sind allerdings schwierig herzustellen, da die Epitaxie ternärer (Si)GeSn-Legierungen aufgrund der metastabilen Natur an sich schon komplex ist. Das Einbringen von Kohlenstoffatomen führt zu einer noch höheren Komplexität. Die geringe Löslichkeit von Kohlenstoff in Germanium und die Unterschiede im Atomradius und der kovalenten Bindung führen zu Kohlenstoff-Ausscheidungen und Wanderungen der C-Atome auf Zwischengitterpositionen.

CSiGeSn: Ultimativer Halbleiter auf Basis der IV. Hauptgruppe

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des Leibniz-Instituts für innovative Mikroelektronik (IHP) ist es nun gelungen, eine stabile Legierung aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn (CSiGeSn) herzustellen.

„Mit der Kombination dieser vier Elemente haben wir ein lang verfolgtes Ziel erreicht: den ultimativen Halbleiter auf Basis der vierten Hauptgruppe“, erklärt Dr. Dan Buca vom Forschungszentrum Jülich.

Schon zuvor war es dem Team um Buca gelungen, Silizium, Germanium und Zinn zu kombinieren und daraus Transistoren, Photodetektoren, Laser und LEDs zu entwickeln – oder thermoelektrische Materialien. Die Hinzunahme von Kohlenstoff erweitert nun die Möglichkeiten, die Bandlücke gezielt einzustellen.

Trends in Siliziumphotonik

Ein Durchbruch aus Jülich revolutioniert die On-Chip-Photonik

„Ein Beispiel ist ein Laser, der auch bei Raumtemperatur funktioniert. Viele optische Anwendungen aus der Silizium-Gruppe stehen noch ganz am Anfang“, erläutert Buca. „Auch für die Entwicklung von geeigneten Thermoelektrika ergeben sich neue Möglichkeiten, um Wärme in Wearables und Computerchips in elektrische Energie umzuwandeln.“

Präzise Steuerung der Prozessparameter

Die Herstellung der neuen Verbindung galt lange als kaum machbar. Erst durch präzise Steuerung der Herstellungsprozesse gelang es – mit einer industriellen RP-CVD-Anlage (chemische Dampfabscheidung unter vermindertem Druck) von Aixtron, die auch in der Chipproduktion genutzt wird.

Dazu wurden CGeSn/GeSn-Quantentopf-Heterostrukturen auf einer spannungsrelaxierten GeSn-Pufferschicht epitaxiert. Diese Heterostrukturen weisen eine hohe Kristallqualität auf, so die Wissenschaftler. Das erste mit dieser Methode aus diesen vier Elementen hergestellte Bauelement ist der Prototyp einer LED mit einer Nahinfrarotemission bei 2,54 µm. Ein wichtiger Schritt in Richtung neuer optoelektronischer Bauelemente.

„Das Material bietet eine bislang einzigartige Kombination aus abstimmbaren optischen Eigenschaften und Silizium-Kompatibilität“, erklärt Prof. Dr. Giovanni Capellini vom IHP, der seit über zehn Jahren mit Buca zusammenarbeitet, um die Anwendungspotenziale neuer Halbleiter der Hauptgruppe IV zu erschließen. „Damit schaffen wir die Grundlage für skalierbare photonische, thermoelektrische und quantentechnische Bauelemente.“ Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. (kr)

Originalpublikation

Buca, Dan et al.: Adaptive Epitaxy of C-Si-Ge-Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures, Advanced Materials (2025), DOI: 10.1002/adma.202506919

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