Vier Elemente für die Chips der Zukunft
Forschende aus Jülich und Frankfurt/Oder haben eine stabile Legierung aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn entwickelt.
Die neue Verbindung, abgekürzt CSiGeSn, eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen an der Schnittstelle von Elektronik, Photonik und Quantentechnologie. Das Besondere: Alle vier Elemente stammen aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems. Das macht die Legierung kompatibel mit dem Standardverfahren der Chipindustrie, dem CMOS-Prozess – ein entscheidender Vorteil für die Industrie. „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.
Mit der neuen Legierung lassen sich Eigenschaften so feinjustieren, dass Bauelemente möglich werden, die mit reinem Silizium nicht realisierbar wären: etwa für optische Komponenten oder in Quantenschaltungen. Die Strukturen lassen sich direkt bei der Herstellung auf dem Chip erzeugen. Die Chemie setzt dabei klare Grenzen: Nur Elemente, die zur selben Hauptgruppe gehören wie Silizium, fügen sich nahtlos ins Kristallgitter auf dem Wafer ein. Elemente anderer Gruppen stören das empfindliche Gefüge. Das zugrunde liegende Verfahren ist die Epitaxie, ein Schlüsselprozess der Halbleitertechnologie, bei dem dünne Schichten atomgenau auf einem Substrat abgeschieden werden.
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Schon zuvor war es Forschenden um Dan 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 – entscheidend für das elektronische und photonische Verhalten – gezielt einzustellen.
„Ein Beispiel ist ein Laser, der auch bei Raumtemperatur funktioniert. Viele optischen Anwendungen aus der Silizium-Gruppe stehen noch ganz am Anfang“, erläutert Dan Buca. „Auch für die Entwicklung von geeigneten Thermoelektrika ergeben sich neue Möglichkeiten, um Wärme in Wearables und Computerchips in elektrische Energie umzuwandeln.“
Die Herstellung der neuen Verbindung galt lange als kaum machbar. Kohlenstoff ist winzig, Zinn groß und ihre Bindungskräfte sind sehr verschieden. Erst durch präzise Einstellung der Herstellungsprozesse gelang es, diese Gegensätze zu vereinen – mit einer industriellen Gasphasenabscheidungs-Anlage von Aixtron. Keine Spezialapparatur, sondern ein Gerät, wie es auch in der Chipproduktion genutzt wird.
Das Ergebnis: ein Material von hoher Qualität, gleichmäßig zusammengesetzt. Daraus entstand auch erstmals eine Leuchtdiode, die auf sogenannten Quantentopfstrukturen aus den vier Elementen aufbaut – ein wichtiger Schritt in Richtung neuer optoelektronischer Bauelemente.
„Das Material bietet eine bislang einzigartige Kombination aus abstimmbaren optischen Eigenschaften und Silizium-Kompatibilität“, sagt Prof. Dr. Giovanni Capellini vom Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik IHP, der seit mehr als zehn Jahren mit Buca zusammenarbeitet, um die Anwendungspotenziale neuer Gruppe-IV-Halbleiter zu erschließen. „Damit schaffen wir die Grundlage für skalierbare photonische, thermoelektrische und quantentechnische Bauelemente.“ [FZ Jülich / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
O. Concepción et al., Adaptive Epitaxy of C-Si-Ge-Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures, Adv. Mater., 11 June 2025; DOI: 10.1002/adma.202506919 - Siliziumbasierte Epitaxie und Photonik - AG Buca, Halbleiter-Nanoelektronik (PGI-9), Peter-Grünberg-Institut, Forschungszentrum Jülich
- Joint Lab Intelligente elektro-optische Sensorik (Giovanni Capellini), Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP), Frankfurt (Oder) / University Roma Tre, Rom
