Forschende des Forschungszentrums Jülich und des Leibniz-Instituts für innovative Mikroelektronik (IHP) haben ein Material entwickelt, das aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn besteht. Die Verbindung, abgekürzt CSiGeSn, ermöglicht neue Anwendungen an der Schnittstelle von Elektronik, Photonik und Quantentechnologie.
Was ist das Besondere?
Alle vier Elemente stammen wie Silizium aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems. Das macht die Legierung kompatibel mit dem Standardverfahren der Chipindustrie, dem CMOS-Prozess. Mit der neuen Legierung lassen sich Eigenschaften so feinjustieren, dass Bauelemente möglich werden, die laut Forscherteam 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. Aber nur Elemente, die zur selben Hauptgruppe gehören wie Silizium, fügen sich nahtlos ins Kristallgitter auf dem Wafer ein. Elemente anderer Gruppen stören das Gefüge. Das zugrunde liegende Verfahren ist Epitaxie, wobei dünne Schichten atomgenau auf einem Substrat abgeschieden werden.
Verzahnung von Optik und Elektronik
Schon früher war es dem Team 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. Auch Thermoelektrika sind denkbar, um Wärme in Wearables und Computerchips in elektrische Energie umzuwandeln.
Wie wurde vorgegangen?
Kohlenstoff ist winzig, Zinn groß und die Bindungskräfte sind sehr verschieden. Erst durch präzise Einstellung der Herstellungsprozesse gelang es, diese Gegensätze zu vereinen – mit einer industriellen CVD-Anlage von Aixtron. Das ist ein Gerät, wie es auch in der Chipproduktion genutzt wird.
Das Ergebnis laut Forschungsteam: ein Material von hoher Qualität, gleichmäßig zusammengesetzt. Daraus entstand auch eine Leuchtdiode, die auf Quantentopfstrukturen aus den vier Elementen aufbaut – ein Schritt in Richtung neuer optoelektronischer Bauelemente.
