Halbleiter-Fertigung Schwarzer Phosphor soll Silizium ablösen

Halbleiter-Hersteller befinden sich in einem Rennen um die leichtesten, kleinsten und effizientesten Produkte. Wo Silizium an seine Grenzen stößt, könnte schwarzer Phosphor völlig neue Wege eröffnen.

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Forscher aus Südkorea haben mittels schwarzem Phosphor einen Hochleistungs-Transistor entwickelt, der einige faszinierende Resultate liefert. Das Material ist anders als sein Grundstoff (weißer Phosphor) ungiftig und besitzt Halbleiter-Eigenschaften.

Transistoren werden aus halbleitertauglichen Materialien gefertigt, die in zwei Variationen kommen: n-type (Elektronenüberschuss) und p-type (Löcherüberschuss). Bei den Kristallen des schwarzen Phosphor haben die Forscher entdeckt, dass sie sowohl die Lagendicke als auch das Kontaktmetall ändern können, welche darüber bestimmen, ob es sich wie n-type, p-type oder sogar ambipolar verhält.

Damit Silizum in einem Halbleiter funktioniert, muss von außen ein anderes Element in die Kristallstruktur gefügt werden. Bei schwarzem Phosphor entfällt der komplizierte Aufbau, es lässt sich ein leichter, dünner Chip bauen, der aus einem Material besteht. Es bringt noch eine weitere Eigenschaft mit sich: Wird das Metall, das den Chip mit dem Stromkreis verbindet, geändert, lässt sich so die n-type- bzw. p-type-Variation beeinflußen. Bei schwarzem Phosphor können sich tatsächlich sowohl n-type- als auch p-type-Variationen zusammen auf einem Chip befinden – nötig ist nur das Ändern von Lagendicke und Metall.

Silizium befindet sich in allen elektronischen Geräten, allerdings geraten die Hersteller immer öfter an die Grenzen des Materials, gerade bei der Miniaturisierung. Schwarzer Phosphor könnte hier eine dünnere und effizientere Alternative darstellen.

Die physikalischen Eigenschaften sprechen für Phosphor: Es hat eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, was eine erhöhter Performance bei geringerer Stromaufnahme ermöglicht. Mit Aluminium als Kontaktmetall zeigen dickere Lagen (13 Nanometer) ambipolare Eigenschaften ähnlich Graphit, während dünnere 3-nm-Lagen die n-type-Variation besitzen.

Bis schwarzer Phosphor eine echte Alternative zum Silizium wird, muss allerdings noch eine wirtschaftliche Gewinnungsmethode gefunden werden, denn die momentane Herstellung von schwarzem Phosphor ist für den Halbleiter-Einsatz kaum geeignet. Auch die Forscher betonen, das schwarzer Phosphor noch nicht mit Silizium konkurrieren kann, das immer noch hochverfügbar und preiswert ist.

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