Alternative Werkstoffe Transistoren ohne Silizium

Anbieter zum Thema

Samsung Semiconductor Europe GmbH

Taiwan Semiconductor Europe GmbH

Intel Deutschland GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

Mit dem ersten siliziumfreien Transistor bahnt sich in der Halbleitertechnologie ein Wendepunkt an. Ein nahezu widerstandsfreier Elektronenfluss dürfte Energieeffizienzrekorde und Leistungsbarrieren aufheben — ohne die Notwendigkeit für hochreinen Quarz. Das hört sich doch nach einem echten Neuaufbruch an.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hailin Peng am Fachgebiet für physikalische Chemie der Peking-Universität in China hat kürzlich mit dem ersten siliziumfreien Transistor der Welt gleich zwei neue Rekorde aufgestellt. Das Technikwunder arbeitet demnach rund 40 Prozent schneller und verbraucht dennoch 10 Prozent weniger Energie als führende Siliziumchips von Intel & Co.

Die Dominanz von Silizium in integrierten Schaltungen hielt bisher ungebrochen an. Doch mit der zunehmenden Miniaturisierung stoßen klassische Si-FETs an physikalische Grenzen, die sich durch iterative technologische Verbesserungen nicht überwinden lassen. Im Bereich von unter 5 nm machen sich Tunneling-Effekte und steigende Leckströme bemerkbar. Die Suche nach siliziumfreien Materialsystemen läuft auf Hochtouren.

Geheimnisse siliziumfreier Halbleiter

Die chinesischen Forscher nutzten Bismut-Oxyselenid (Bi₂O₂Se) als Kanalmaterial in Kombination mit Bismut-Selenat (Bi₂SeO₅) als Gate-Dielektrikum in Gate-All-Around-Architektur (GAA).

Die GAA-Architektur ordnet die Kanäle horizontal – statt vertikal wie im Falle von FinFETs – an, so dass das Gate den leitenden Kanal vollständig auf allen vier Seiten umschließt – im Gegensatz zu FinFETs, die den Kanal nur auf drei Seiten umgeben.

GAAFETs nutzen im Kanal horizontal gestapelte Nanosheets oder Nanodrähte. Während FinFETs an physikalische Grenzen stoßen, lassen sich GAAFETs weiter verkleinern. Durch die vollständige Umhüllung des Kanals kann das Gate den Stromfluss wesentlich präziser steuern. Die optimierte Gate-Kontrolle erlaubt den Betrieb mit niedrigeren Spannungen.Dieser Ansatz verbessert die Steuerung, reduziert Leckströme und erleichtert so die Skalierung mit geringerer Variabilität und höherer Leistung bei gleichzeitig niedrigerem Stromverbrauch.

Samsung, der Pionier der GAAFET-Architektur, nutzt sie in seinem 2nm-GAA-Prozess, wohlgemerkt nach anfänglichen Rückschlägen bei 3nm. Allerdings verwendet Samsung noch hauptsächlich Silizium als Kanalmaterial mit nicht näher spezifizierten Gate-Materialien und High-k-Dielektrika.

Samsung setzt im Übrigen auf eine eigene Weiterentwicklung der GAAFET-Architektur namens MBCFET (kurz für Multi-Bridge-Channel Field-Effect Transistor). Der Vorteil dieser Implementierung liegt in der breiteren Kanalfläche, die eine bessere Leitfähigkeit und eine präzisere Steuerung der Schaltcharakteristik ermöglicht. Statt traditioneller Nanodrähte kommen hier nämlich Nanosheets zum Einsatz, um die Leitfähigkeit bei gleichzeitig verringerten Leckströmen zu verbessern.

Intel implementiert GAAFETs unter der Bezeichnung RibbonFET in den Intel 20A- und 18A-Knoten mit PowerVia (Verlagerung der Stromversorgung auf die Rückseite des Wafers, um Platz für Signalverbindungen zu befreien) — ebenfalls in Silizium.

TSMC beginnt die Einführung der GAAFET-Architektur mit dem Anlauf der Massenproduktion auf dem 2-nm-Knoten (N2) in der zweiten Hälfte von 2025 (u.a. für AMD EPYC Venice).

Während die Platzhirsche weiterhin Silizium-basierte Nanosheets verwenden, erforschen sie intensiv alternative Materialien, darunter 2D-Halbleiter wie MoS₂ (Molybdändisulfid), III-V-Verbindungen (wie Indiumgalliumarsenid), Graphen und amorphes Bornitrid (a-BN), Gallium-Nitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) für Leistungs- und Hochfrequenzanwendungen sowie 2D-Materialien wie Graphen und amorphes Bornitrid (a-BN) für Speicherlösungen und hochskalierbare Transistoren der nächsten Generation.

Die Gate-All-Around-Architektur entfaltet ihr volles Potenzial erst in Kombination mit zweidimensionalen Materialien wie Bismut-Oxyselenid. Sie nutzt die besonderen Materialeigenschaften des Werkstoffs — darunter quantenmechanische Transportphänomene — aus. Mit einer Dicke von nur einer Atomlage (~0.6 nm) reduziert es Kurzkanaleffekte bis unter 3 nm Gate-Länge. Mit einem um 97 Prozent geringeren Materialverbrauch gegenüber 3D-Siliziumstrukturen trumpft es mit einer höheren volumetrischen Effizienz auf.

Die vollständige Gate-Umhüllung ermöglicht eine präzisere Steuerung des Elektronenflusses und dürfte maßgeblich zu den Leistungssteigerungen und der Energieeinsparung beigetragen haben, die die chinesischen Forscher vermelden konnten. (Bei den Zahlen aus Peking handelt es sich allerdings um Laborergebnisse, die bisher nicht unabhängig verifiziert wurden.)

Als topologischer Isolator glänzt Bismut-Oxyselenid (Bi₂SeO₂) durch Dirac-Fermionen-Leitung (vorteilhaft für ultrahohe Schaltfrequenzen). Dieses Phänomen verschafft dem Material eine temperaturunabhängige Leitfähigkeit. Der Werkstoff bietet außerdem zwei weitere Schlüsseleigenschaften für Elektronik der Zukunft: Es weist Spin-Momentum-Locking und eine anpassbare Bandlücke auf. Diese Synergie ermöglicht völlig neue Designmöglichkeiten für Transistoren und spintronische Bauelemente.

Spin-Momentum-Locking koppelt den Elektronenspin untrennbar an die Bewegungsrichtung und reduziert Verluste durch Elektron-Phonon- und Elektron-Elektron-Streuung. Dies dürfte Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 1 THz in GAA-Transistoren ermöglichen und den Stromverbrauch schätzungsweise gegenüber Silizium-FinFETs um den Faktor 10 senken. In Kombination mit der anpassbaren Bandlücke, die sich durch mechanische Verformung realisieren lässt (Stichwort: Strain-Engineering), lassen sich unter anderem energieadaptive Schaltungen realisieren. Atomare Dünnschichten ermöglichen dann auch vertikale Stapelung ohne Performanceverluste.

Diese Eigenschaften positionieren Bismut-Oxyselenid als eine Schlüsselkomponente für die Post-Moore-Ära der Halbleitertechnologie.

Herausforderungen der Fertigung

Bismut-Oxyselenid (Bi₂O₂Se) als Kanalmaterial in Kombination mit Bismut-Selenat (Bi₂SeO₅) als Gate-Dielektrikum verträgt sich vom Prinzip her hervorragend mit bestehenden Anlagen zur Massenfertigung.

Die Herstellung nutzt die sogenannte epitaktische monolithische 3D-Integration. Diese Technik ermöglicht das Stapeln von einzelkristallinen 2D-Schichten bei niedrigen Temperaturen; sie erfordert nicht den Verzicht auf Kompatibilität mit bestehenden Halbleiterfertigungswerkzeugen. Gleichzeitig benötigt sie für den Kernprozess keinen hochreinen Quarz (HPQ): Die Technologie nutzt die materialinterne Oxidation statt externer Quarzprozesse, was sie unabhängig von HPQ macht.

Nur noch begleitende Halbleiterfertigungsschritte (z.B. Lithografie) könnten weiterhin Quarz erfordern – nicht jedoch die Kernintegration von Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅.

Oxidationsprozesse zu Bi₂SeO₅ erfordern allerdings eine zehnfach höhere Präzision als im Falle von SiO₂, um reibungslosen Elektronenfluss aufrechtzuerhalten — so wie er sich unter Laborbedingungen beobachten lässt. Aktuelle Methoden weisen niedrige Ertragsraten auf. Ob sich fehlerfreie Bi₂O₂Se- und Bi₂SeO₅-Schichten gleichmäßig auf 300-mm-Wafern herstellen lassen, ist bei industriellen Stückzahlen bislang nicht belegt.

Zwar ist die monolithische 3D-Stapeltechnik mit bestehenden Lithografiewerkzeugen grundsätzlich kompatibel, doch erfordert sie eine grundlegende Neuausrichtung der Abscheidungs- und Ätzprozesse. Die thermische Stabilität zwischen den neuartigen Materialien und klassischen Substraten wie Siliziumdioxid bleibt eine zentrale Herausforderung der hochverdichteten Integration.

Dennoch stellt dieser Ansatz bereits einen Wendepunkt dar.

Laut chinesischen Presseberichten sei er „aus der Not geboren“ – bedingt durch Zugangseinschränkungen zu fortschrittlichen Silizium-Fertigungstechnologien auf Grund von Exportverboten (siehe dazu den Beitrag auf ELEKTRONIKPRAXIS High-NA-EUV-Lithografie. Die nächste Revolution in der Chipfertigung). Chinesische Forscher scheinen hochmotiviert zu sein, alternative Materialien zu erkunden.

Doch während westliche Exportbeschränkungen für fortschrittliche Silizium-Werkzeuge die Suche nach überlegenen Werkstoffen im Reich der Mitte anspornen, bremsen sie gleichzeitig die Markteinführung dieser Innovationen aus. Die Fertigung von sub-3nm-Strukturen erfordert Zugang zu hochmodernen Lithographiemaschinen.

Jenseits von Silizium – kein bloßer Abstecher

Das Ziel ist schon klar: Mikroprozessoren sollen schneller werden – und dabei idealerweise weniger Energie verbrauchen. Doch der Weg dorthin ist alles andere als geradlinig. Neue Materialien, alternative Architekturen und radikale Denkansätze bieten sich für Forschungsexperimente an. Wer das nächste Kapitel der Chipentwicklung schreiben will, muss nicht nur mit überlegenen technischen Eckdaten auftrumpfen, sondern auch Kompatibilität zu etablierten Fertigungstechnologien wahren.

Alternative Werkstoffe, insbesondere zweidimensionale Materialschichten (2D) wie Molybdändisulfid (MoS₂), Wolframdiselenid (WSe₂), schwarzer Phosphor (BP) oder Indiumselenid (InSe) gelten zwar als vielversprechend, aber sie teilen ein grundlegendes Manko: Diesen Silizium-Alternativen fehlt ein stabiles, naturnahes Oxid mit hoher Dielektrizitätskonstante (high-κ) – ein entscheidender Nachteil bei der Integration in bestehende Halbleiterprozesse.

2D-Materialien bestehen aus Atomen, die in einer flachen, ebenen Struktur angeordnet sind, höchstens wenige Atomlagen dick, und dadurch besondere elektronische, optische und mechanische Eigenschaften aufweisen.

Einen vielversprechenden Ausweg bietet das zweidimensionale Material Bismuthoxyselenid (Bi₂SeO₂). Anders als viele andere 2D-Halbleiter lässt sich Bi₂SeO₂ kontrolliert in verschiedene native Oxidphasen wie Bi₂SeO₅ überführen, die mit hoher Dielektrizitätskonstante (>30) und atomar scharfen, chemisch sauberen Grenzflächen glänzen. Diese Kombination macht es einzigartig: Es vereint eine hohe Ladungsträgermobilität (812 cm²/V·s) mit einem integrierbaren, nativen high-κ-Isolator. Diese Eigenschaften dürften die Integration in skalierbare Transistorarchitekturen grundsätzlich erleichtern.

In einer aktuellen Studie [2] haben Forschende die elektronischen und strukturellen Eigenschaften dieses Materialsystems erstmals umfassend untersucht. Die Forschenden stützen ihre Analyse auf die Dichtefunktionaltheorie (DFT), Molekulardynamik und elektronenmikroskopische Analysen mittels STEM (scanning transmission electron microscopy).

Ihre Untersuchungen brachten die entscheidende Erkenntnis hervor, dass die Bandabstände zwischen Halbleiter und Oxid in der Tat ausreichend sind, um zuverlässige Barrieren zu bilden, die in modernen Transistoren Leckströme zu unterdrücken vermögen. Die berechneten Leitungsband-Offsets zur stabilen β-Phase des Oxids betragen 1,55 eV für Elektronen und 1,13 eV für Löcher.

Damit erfüllt Bi₂SeO₂ gleich mehrere Schlüsselanforderungen zukünftiger Nanoelektronik: hohe Mobilität, die Verfügbarkeit stabiler high-κ-Oxide, intrinsisch saubere Grenzflächen und eine günstige Bandabstimmung. In einem Umfeld, in dem klassische Siliziumtechnologien an ihre Grenzen stoßen, könnte dieser Werkstoff skalierbare, leistungsfähige FETs unterhalb der 3-nm-Marke ermöglichen. Damit positioniert sich das 2D-Material als vielversprechender Kandidat für die Post-Si-Nanoelektronik.

Bi₂O₂Se (Bismut-Oxyselenid) und Bi₂SeO₂ (Bismuthselenoxid) sind im Übrigen zwei völlig unterschiedliche chemische Verbindungen von Sauerstoff (O), Selen (Se) und Bismut (Bi). Auch wenn ihre stöchiometrischen Formeln auf den ersten Blick zur Verwechslung ähnlich aussehen, unterscheiden sich diese Werkstoffe in ihrer chemischen Zusammensetzung und der Kristallstruktur voneinander.

Bi₂O₂Se (Bismut-Oxyselenid) ist ein 2D-Halbleiter mit einer tetragonalen Kristallstruktur, bestehend aus abwechselnden Schichten von Bismut, Sauerstoff und Selen. Es ist ein Hoffnungsträger als Kanalmaterial für Hochleistungstransistoren.

Bi₂SeO₂ ist eine chemische Verbindung aus Bismut, Selen und Sauerstoff, aber mit einer anderen Struktur und anderen Eigenschaften. Hier sind die [Bi₂O₂]⁺-Schichten zentral und von planaren [Se]⁻-Schichten umgeben, was zu einer anderen Anordnung der Atome und eigenartigen Eigenschaften führt. Die Kristallstruktur des Materials weist eine Reißverschluss-ähnliche Anordnung von Atomlagen auf: alternierende, ineinandergreifende Schichten, die sich ineinander verzahnen. Diese Struktur sorgt für eine besondere elektronische Kopplung zwischen den Schichten.

Analysten zufolge dürfte die Kommerzialisierung von Bi₂O₂Se mit Bi₂SeO₅ in GAA die kommenden fünf bis zehn Jahre verschlingen. Im Gegensatz dazu haben Alternativen wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) trotz niedrigerer Leistungsgrenzen bereits Nischenmärkte erschlossen (z.B. in EV-Leistungssystemen) und können ihre Marktdurchdringung weiter ausbauen.

Silizium dominiert den Halbleitermarkt mit einem Anteil von über 90 Prozent (2025) und erfährt weiterhin iterative Verbesserungen (z. B. TSMCs A16-Knoten). Der Bedarf an hochreinem Quarz wächst einstellig pro Jahr. Alternativwerkstoffe wie SiC oder GaN weisen inzwischen stolze zweistellige CAGR-Wachstumsraten auf.

Die Umstellung auf noch unbewiesene Materialien erfordert die Überwindung etablierter Lieferketten und Design-Ökosysteme. Sollten geopolitische Spannungen fortbestehen, hätte China die nötigen Anreize, trotz der kapitalintensiven Umrüstung bestehender Fertigungslinien eigene Wege der Halbleitertechnik zu beschreiten. Die Abhängigkeit von Silizium hat nämlich nicht nur technische und physikalische, sondern auch geopolitische Dimensionen, Stichwort: hochreiner Quarz (HPQ).

HPQ wird für Quarztiegel verwendet, die im Czochralski-Prozess zur Herstellung von Silizium-Einkristallen benötigt werden. 80–90 Prozent des HPQ stammt aus den Minen an einem einzigen Standort in Spruce Pine im U.S.-Bundesstaat North Carolina. Nur Spruce-Pine-Quarz hält der extremen Hitze beim Kristallziehen stand. Die Zerstörung von Infrastruktur in Spruce Pine durch den Hurrikan Helene im September 2024 hat nahezu die gesamte globale Halbleiterfertigung lahmgelegt.

Die EU hat die Problematik der Rohstoffe sogar auf legislativer Ebene aufgegriffen. Der Critical Raw Materials Act der Europäischen Union (kurz: CRMA) sieht Maßnahmen zur Förderung von nicht-siliziumbasierten Chips in kritischen Infrastrukturen vor. Das Ziel besteht darin, die Resilienz der Versorgungsketten zu stärken (das Gesetz ist seit dem 23. Mai 2024 in Kraft).

Silizium-Alternativen wie Bismut-Oxyselenid (Bi₂O₂Se) mit Bismut-Selenat (Bi₂SeO₅) kommen ohne hochreinen Quarz aus.

Fazit

Solange die vielfältigen Herausforderungen der Kommerzialisierung alternativer Materialsysteme noch nicht überwunden sind, dürfte Silizium die tragende Säule der Halbleiterindustrie bleiben. Der Übergang zu siliziumfreien Plattformen scheint jedoch unvermeidlich. Zwei Entwicklungen treiben diesen Paradigmenwechsel voran. Zum einen stößt die Silizium-basierte Chip-Technologie an physikalische Grenzen, die sich beim Einsatz alternativer Werkstoffe nicht mehr stellen. Zum anderen würde die Nutzung leistungstechnisch überlegener 2D-Materialien kein hochreiner Quarz im Kernprozess mehr voraussetzen.

Darum dürften die Tage des Siliziums bereits gezählt sein. (mbf)

* Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeiten für McKinley Denali, Inc., USA.

(ID:50450100)