Übersehener Effekt mit großer Wirkung Halbleiterindustrie setzt auf falsche 2D-Materialien

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2D-Materialien wie Graphen oder Molybdänsulfid gelten als Zukunftshoffnung für Computerchips. Eine Studie der TU Wien zeigt allerdings: Manche dieser propagierten Materialien sind ungeeignet, wegen eines unterschätzten Effekts. Es gäbe aber Auswege.

Die Miniaturisierung elektronischer Bauteile ist seit Jahrzehnten ein wesentlicher Treiber des technologischen Fortschritts. Im Zusammenhang mit künftigen Entwicklungsschritten in der Halbleitertechnologie gelten 2D-Materialien, also ultradünne Schichten aus nur einer oder wenigen Atomlagen, als potenzielle Kandidaten für weiter verkleinerte elektronische Strukturen.

Forschungsarbeiten an der TU Wien zeigen jedoch, dass zahlreiche 2D-Materialien, denen bislang ein hohes Anwendungspotenzial zugeschrieben wurde, dafür nur eingeschränkt geeignet sind. Entscheidend sei dabei nicht allein die Untersuchung der intrinsischen Materialeigenschaften, sondern auch die Betrachtung von Grenzflächeneffekten. Wird ein 2D-Material mit einer Isolatorschicht kombiniert, kann sich an der Grenzfläche ein extrem dünner Spalt ausbilden, der die elektronischen Eigenschaften deutlich beeinträchtigt. Zugleich ermöglicht dieser Ansatz eine gezieltere Bewertung, bei welchen Materialsystemen dieses Problem nicht auftritt. Damit lassen sich Entwicklungsrisiken in der Halbleitertechnologie frühzeitiger einschätzen. Die Forschenden haben die Ergebnisse ihrer Studie in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Science veröffentlicht.

Nicht nur das Material, sondern auch die Grenzfläche ist entscheidend

„Seit vielen Jahren ist man völlig zu Recht fasziniert von den interessanten elektronischen Eigenschaften neuartiger 2D-Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid“, sagt Prof. Mahdi Pourfath, der zusammen mit Prof. Tibor Grasser am Institut für Mikroelektronik der TU Wien die Forschungsarbeiten durchführte. „Was dabei aber oft übersehen wird: Ein 2D-Material allein ergibt noch kein elektronisches Bauteil. Wir brauchen zusätzlich noch eine Isolatorschicht, normalerweise ein Oxid. Und hier wird die Sache materialwissenschaftlich komplizierter.“

Das Grundprinzip von Transistoren in integrierten Schaltungen besteht darin, die Leitfähigkeit eines Halbleiters, zu dem auch ein ultradünnes 2D-Material zählen kann, zwischen leitendem und nichtleitendem Zustand zu modulieren. Gesteuert wird dieser Zustand über das Gate, also eine Elektrode, die vom aktiven Material durch eine isolierende Schicht getrennt ist.

Auswirkungen eines atomaren Spalts an der Grenzfläche

Für eine wirksame elektrostatische Kontrolle sollte diese Isolatorschicht möglichst dünn sein. Dadurch lassen sich elektrische Felder im 2D-Material effizient beeinflussen und kompakte Bauteilstrukturen realisieren. Auf atomarer Skala zeigt sich jedoch ein bislang wenig beachteter Effekt.

„Bei vielen Kombinationen von 2D-Materialien und Isolatorschicht zeigt sich: Die Bindung zwischen ihnen ist nicht besonders stark“, erklärt Grasser. „Sie sind nur durch sogenannte Van-der-Waals-Kräfte aneinander gebunden, die nur eine recht schwache Anziehung zwischen Halbleiter und Isolator bewirken. Das bedeutet, dass sich die beiden Schichten nicht fest aneinander binden, zwischen ihnen bleibt ein Spalt.“

Dieser Spalt ist mit etwa 0,14 Nanometern zwar äußerst klein, kann aber die Bauteileigenschaften deutlich beeinflussen. „Dieser Spalt verschlechtert die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Schichten. Ganz egal, wie gut die Eigenschaften der beiden Materialien auch sein mögen, der Spalt ist der limitierende Faktor. Solange er da ist, sind der Miniaturisierung der Bauteile ganz prinzipiell Grenzen gesetzt.“

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„Wenn die Halbleiterindustrie mit 2D-Materialien Erfolg haben soll, dann muss man aktive Schicht und Isolatorschicht von Anfang an zusammen denken“, betont Mahdi Pourfath. Eine mögliche Lösung sehen die Forschenden in sogenannten „Reißverschluss-Materialien“ („zipper materials“). In solchen Materialsystemen greifen Halbleiter und Isolator strukturell ineinander und sind nicht nur über schwache Van-der-Waals-Kräfte gekoppelt, sondern über eine stärkere Bindung. Dadurch kann der kritische Abstand an der Grenzfläche vermieden werden.

„Unsere Arbeit ist eine gute Nachricht für die Halbleiterindustrie“, sagt Tibor Grasser. „Wir können vorhersagen, welche Materialien für künftige Miniaturisierungs-Schritte geeignet sind und welche nicht. Aber wenn man sich nur auf die 2D-Materialien konzentriert, ohne die unvermeidlichen Isolatoren von Anfang an mitzuplanen, dann kann es passieren, dass man viele Milliarden auf ein Pferd setzt, das keine Beine hat – und aus ganz fundamentalen Gründen nicht gewinnen kann.“(sg)

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