Technische Universität Wien
2D-Materialien: Die Grenzfläche ist entscheidend
2D-Materialien gelten als Hoffnung für kleinere Chips. Forschende der TU Wien zeigen jedoch: Grenzflächeneffekte mit Isolatoren erzeugen winzige Spalte, die die Leistung stark verschlechtern. Nur speziell gebundene »Reißverschluss-Materialien« können das Problem lösen.
Die Miniaturisierung elektronischer Bauteile ist eine riesengroße Erfolgsgeschichte, die seit Jahrzehnten unseren technologischen Fortschritt vorantreibt. An der nächsten Computerchip-Revolution wird bereits gearbeitet: 2D-Materialien, also ultradünne Schichten, die nur aus einer oder aus ganz wenigen Atomlagen bestehen, könnten sich für noch kleinere Elektronik-Strukturen hervorragend eignen.
Nun konnte man an der TU Wien allerdings zeigen: Viele 2D-Materialien, auf die man große Hoffnung gesetzt hatte, sind dafür ungeeignet. Es genügt nämlich nicht, die Eigenschaften des Materials selbst zu untersuchen, man muss auch Grenzflächeneffekte berücksichtigen. Wenn man die 2D-Materialien mit einer Isolatorschicht in Verbindung bringt, entsteht dazwischen ein extrem dünner Spalt, der die elektronischen Eigenschaften drastisch verschlechtert. Die gute Nachricht: Mit diesem Ansatz kann man auch sagen, bei welchen Materialien dieses Problem nicht auftritt – das kann die Halbleiterindustrie davor bewahren, viele Milliarden in Technologien zu investieren, bei denen der Erfolg von vornherein physikalisch ausgeschlossen ist.
Es ist nicht nur das Material, es ist die Grenzfläche
»Seit vielen Jahren ist man völlig zu Recht fasziniert von den interessanten elektronischen Eigenschaften neuartiger 2D-Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid«, sagt Prof. Mahdi Pourfath, der zusammen mit Prof. Tibor Grasser am Institut für Mikroelektronik der TU Wien die Forschungsarbeiten durchführte. »Was dabei aber oft übersehen wird: Ein 2D-Material allein ergibt noch kein elektronisches Bauteil. Wir brauchen zusätzlich noch eine Isolatorschicht, normalerweise ein Oxid. Und hier wird die Sache materialwissenschaftlich komplizierter.«
Das Grundkonzept der Transistoren, die in Computerchips eingebaut sind, ist einfach: Die Leitfähigkeit eines Halbleiters – das kann auch ein ultradünnes 2D-Material sein – kann zwischen leitend und nicht-leitend moduliert werden. Welcher dieser Fälle eintritt, wird vom Gate bestimmt, einer Elektrode, die vom aktiven Material durch eine isolierende Schicht getrennt sein muss.
Halt, da ist ein Spalt!
Diese isolierende Schicht soll möglichst dünn sein, dann lassen sich die elektrischen Felder im 2D-Material am besten kontrollieren, das ganze Bauteil kann extrem klein und kompakt gebaut werden. Doch wenn man diese Strukturen auf atomarer Ebene analysiert, stößt man auf ein Problem, das bisher kaum beachtet wurde.
»Bei vielen Kombinationen von 2D-Materialien und Isolatorschicht zeigt sich: Die Bindung zwischen ihnen ist nicht besonders stark«, erklärt Grasser. »Sie sind nur durch Van-der-Waals-Kräfte aneinandergebunden, die nur eine recht schwache Anziehung zwischen Halbleiter und Isolator bewirken. Das bedeutet, dass sich die beiden Schichten nicht fest aneinanderbinden, zwischen ihnen bleibt ein Spalt.« Dieser Spalt ist winzig – er hat nicht einmal die Größe eines einzigen Kohlenstoffatoms, etwa 0,14 nm – ein SARS-CoV-2-Virus ist rund 700mal größer. Trotzdem hat dieser Spalt für die Elektronik sehr starke Auswirkungen. »Dieser Spalt verschlechtert die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Schichten. Ganz egal, wie gut die Eigenschaften der beiden Materialien auch sein mögen, der Spalt ist der limitierende Faktor. Solange er da ist, sind der Miniaturisierung der Bauteile ganz prinzipiell Grenzen gesetzt.«
Der Ausweg: Reißverschluss-Materialien
»Wenn die Halbleiterindustrie mit 2D-Materialien Erfolg haben soll, dann muss man aktive Schicht und Isolatorschicht von Anfang an zusammen denken«, betont Mahdi Pourfath. Möglichkeiten gibt es: Sogenannte »Reißverschluss-Materialien« (»zipper materials«) vereinen beides, Halbleiter und Isolator greifen ineinander, sie sind nicht nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte aneinandergekoppelt, sondern gehen eine engere Bindung ein, die den Abstand eliminiert.
»Unsere Arbeit ist eine gute Nachricht für die Halbleiterindustrie«, sagt Tibor Grasser. »Wir können vorhersagen, welche Materialien für künftige Miniaturisierungs-Schritte geeignet sind und welche nicht. Aber wenn man sich nur auf die 2D-Materialien konzentriert, ohne die unvermeidlichen Isolatoren von Anfang an mitzuplanen, dann kann es passieren, dass man viele Milliarden auf ein Pferd setzt, das keine Beine hat – und aus ganz fundamentalen Gründen nicht gewinnen kann.«