Isolationseigenschaften von Saphir Neuer Chip-Isolator in China entwickelt

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Moores Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Die Umsetzung dieser Prognose von Gordon Moore erfordert in der heutigen Zeit zunehmend die Entdeckung und Entwicklung neuer Materialien. Unter anderem haben sich Forscher in China dieser Aufgabe angenommen.

Wenn das Handy beim Aufladen zu heiß wird … dann sind seine Chips nicht mit dem neuesten Isolator aus China ausgerüstet. Den haben Forscher in Shanghai gerade aus synthetischem Saphir entwickelt, wie sie in einem Aufsatz im Wissenschaftsmagazin Nature berichten.

Der neue, nur wenige Atome dicke Film sei als dielektrische Schicht verwendbar, mit deren Hilfe neuartige, leistungsstarke Chips entwickelt werden können, die sich weniger schnell aufheizen und die weniger Energie verbrauchen, berichten die chinesischen Wissenschaftler. Damit lasse sich künftig die Lebensdauer von Handys und anderen elektronischen Geräten verlängern und auch bessere Chips für künstliche Intelligenz und IoT-Geräte würden damit in der Zukunft möglich, heißt es in dem Aufsatz.

Effektivität im Nanometer-Bereich

Moderne Halbleiter werden immer komplexer und eine immer größere Zahl von Transistoren wird auf immer engerem Raum verbaut. Herkömmliches Isolationsmaterial, das für den korrekten Stromfluss auf den Wafern sorgt, verliert im Nanometer-Bereich an Wirkung.

Um dieses Problem zu beheben, haben die Teamleiter Di Zengfeng und Tian Zao in ihrem Labor eine aus einzelnen Kristallen bestehende Alu-Wafer bei Zimmertemperatur mit Sauerstoff-Atomen versetzt, um eine „einkristalline Aluminiumoxidschicht, die nur 1,25 Nanometer dick ist“ zu erzeugen. „Obwohl er synthetisch hergestellt ist, weist dieser Film eine Kristallstruktur und Isolationseigenschaften auf, die der von natürlichem Saphir vergleichbar sind“, schreibt Tian Zao auf der Webseite der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Die beiden Forscher und ihr Team arbeiten am „State Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits“ am „Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology“, das zur Akademie gehört.

Der künstliche Saphir-Film wurde dann mit einem zweidimensionalen Substrat von Molybdändisulfid versetzt, um das Silizium in herkömmlichen Chips zu ersetzen und energiesparende Transistor-Arrays zu fertigen. „Das Ergebnis weist in die Richtung von Schaltkreisen mit höherer Leistung“, schreibt die South China Morning Post in Hongkong.

Die relativ einfache Methode zur Herstellung des neuartigen Isolators bedeute, dass sie leicht für die industrielle Fertigung skaliert werden könne, sagten die Forscher in Interviews mit chinesischen Staatsmedien. Auch sei künstlicher Saphir kompatibel mit existierenden Prozessen zur Chipfertigung auf Siliziumbasis, hieß es. Ihre Entwicklung stelle einen großen Fortschritt dar, was die „Anwendung zweidimensionaler Halbleitermaterialien im industriellen Umfeld“ betreffe, schreiben die Forscher.

Überraschende Resonanz

Vor dem Hintergrund des Chip-Krieges, den die US-Regierung und ihre Verbündeten mit Boykotten von Hochleistungs-Chips und Ausrüstungen für deren Herstellung gegenüber China begonnen haben, erhielt die Erfindung in Chinas staatlichen Medien mehr Aufmerksamkeit, als Materialwissenschaften üblicherweise zuteilwird.

„Dieser Fortschritt hat nicht nur substanzielle Implikationen für die Verlängerung der Batteriedauer von Smartphones, sondern hilft auch bei der Entwicklung von energiesparenden Chips für die künstliche Intelligenz und das Internet der Dinge (IoT)“, kommentierte der staatliche Fernsehsender CCTV.

Aus anderer Perspektive betrachtet ist die Entwicklung des neuen Isolator-Materials für Schaltkreise ein weiteres Beispiel für die wachsende Wichtigkeit von Performance-Materialien, während die Miniaturisierung von Chips und das Moore'sche Gesetz immer weiter an ihre physikalischen Grenzen stoßen.

Besonders die Anforderungen an Isolatoren sind stark gestiegen, nicht nur wegen der höheren Anzahl von Transistoren pro Schaltkreis, sondern auch wegen der wachsenden Komplexität ihrer Anordnung. Die Materialien, bislang unter anderem Siliziumdioxid (SiO2), die zu diesem Zweck auf den Wafern aufgetragen werden, werden daher auch manchmal die „heimlichen Helden im Mikrochip“ genannt. (sb)

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