Zweidimensionale Halbleiter

Graphen ist das bekannteste zweidimensionale Material, um neuartige Displays oder elektronische Module zu entwickeln. Doch auch halbleitende Metallsulfid-Verbindungen taugen in hauchdünnen Schichten für extrem kompakte Transistoren. Am Kavli Institute for Nanoscale Science an der Cornell University in Ithaka gelang es nun erstmals, Molybdänsulfid in hoher Qualität auf einen Silizium-Wafer zu deponieren. Diese Entwicklung ist ein wichtiger Schritt, um aus diesen Verbindungshalbleitern in Zukunft sogar Computerchips mit einer dreidimensionalen Architektur zu entwickeln.

Die Arbeitsgruppe um Jiwoong Park optimierte dazu ein Aufdampfverfahren, um Halbleiterschichten von einigen Quadratzentimeter Größe zu produzieren. Dazu verteilten sie in einer Atmosphäre aus Wasserstoff und Argon geringe Mengen an Molybdän- oder Wolframhexacarbonyl sowie Diethylsulfid. Aus diesen Vorläufer-Substanzen wuchsen auf einer Unterlage aus Siliziumdioxid bei 550 Grad Celsius über einen Zeitraum von 26 Stunden Schichten aus Molybdän- oder Wolframsulfid. Eine Qualitätskontrolle mit einem Elektronenmikroskop bestätigte den gewünschten gleichmäßigen Aufbau dieser nur drei Atomlagen – Schwefel/Metall/Schwefel - dünnen Schichten.

Park und Kollegen deponierten auf diese Halbleiterschicht eine weitere Lage aus Silziumdioxid. So entstand ein Areal von 200 Feldeffekttransistoren. Mit nur zwei defekten Transistoren war der Ausschuss bei diesem Produktionsprozess ausgesprochen gering. Die Beweglichkeit der Elektronen – ein wichtiger Maßstab für schnell schaltende Transistoren - erreichte mit 30 cm²/Vs bei Raumtemperatur durchweg gute Werte für diese neuartigen Halbleiter.

Diese Schichten bieten die Möglichkeit, um in Zukunft Computerchips mit Dutzenden Milliarden Transistoren fertigen zu können. Sogar dreidimensionale Architekturen halten Tobin Marks und Mark Hersam von der Northwestern University in Evanston für möglich und bewerten die Arbeit von Parks’ Arbeitsgruppe als einen wichtigen Schritt hin zur Massenfertigung. Für Chiphersteller wie Intel, IBM oder AMD wäre dies von großer Bedeutung, da sich räumlich aufgebaute Chip-Architekturen aus herkömmlichen Silizium bisher nur sehr schwierig verwirklichen lassen. Doch nicht nur für Prozessoren, sondern auch für andere Halbleiter-Module wie Leuchtdioden oder Memristor-Speicherchips könnten diese Metallsulfid-Schichten neue Impulse liefern.

Bevor sich diese zweidimensionalen Halbleiterschichten in ersten Chipprotypen finden lassen, müssen allerdings weitere Hürden überwunden werden. So könnte die Beweglichkeit der Elektronen – derzeit noch bei einem Zehntel im Vergleich zu Silizium rangierend – durch ausgefeilte Dotierungen weiter gesteigert werden. Zudem sind die derzeit noch sehr hohen Temperaturen von 550 Grad zu hoch, um diese Halbleiter etwa auf flexiblen Kunststoffunterlagen zu deponieren. Auch die Dauer des Prozesses von 26 Stunden müsste verringert werden, um eine wirtschaftliche Massenproduktion zu ermöglichen.

Jan Oliver Löfken

OD