JKU-Forscher entwickelt Methode für leistungsstärkere Chips
Mona Hopfinger
Ein Physiker der Johannes Kepler Universität Linz hat eine neue Methode entwickelt, um Computerchips leistungsfähiger zu machen. Christoph Wilflingseder gelang es, kristalline Germaniumschichten auf Silizium aufzubringen – ein wichtiger Schritt für schnellere Transistoren.
Die Miniaturisierung von Computerchips stößt zunehmend an physikalische Grenzen. Christoph Wilflingseder von der Johannes Kepler Universität Linz hat in seiner Masterarbeit eine Methode entwickelt, die diese Limits erweitern könnte. Seine Arbeit steht am 24. September im Finale des Macke-Awards.
Germanium als Alternative zu reinem Silizium
Heutige Prozessoren basieren auf Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erdkruste. Doch das Verkleinern der Transistoren funktioniert nur bis zu einem bestimmten Punkt, an dem quantenmechanische Effekte wie das Tunneln von Elektronen durch Barrieren auftreten. Eine Lösung ist die Kombination von Silizium mit Germanium, das eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweist.
Das Problem: Germanium lässt sich schwer direkt auf Silizium aufbringen, weil die Atome in kristalliner Form unterschiedliche Abstände haben. Bei herkömmlichen Verfahren mit Temperaturen über 500 Grad Celsius bilden sich statt ebener Schichten sogenannte Quantenpunkte – kleine Hügelchen auf der Oberfläche. Eine praktikable und wirtschaftliche Lösung fehlte bisher.
Erfolg mit niedrigen Temperaturen
Wilflingseder nutzte das Ultrahochvakuumverfahren Molekularstrahlepitaxie mit ungewöhnlich niedrigen Substrattemperaturen von 100 bis 300 Grad Celsius. Dabei wird Germanium erhitzt, verdampft und als atomarer Strahl auf ein Silizium-Substrat gerichtet. Die Atome ordnen sich in der Kristallstruktur des Substrats an.
Das Ergebnis: Es gelang, kristalline Germaniumschichten mit bis zu vier Nanometer Dicke zu erzeugen. Die störenden Quantenpunkte traten nicht auf, allerdings können leichte strukturelle Defekte vorkommen.
Anwendung in neuartigen Transistoren
Das mit der neuen Methode gewonnene Material wurde bereits erfolgreich zur Herstellung neuartiger Elektronikbauteile eingesetzt, darunter ein rekonfigurierbarer Feld-Effekt-Transistor für Computerchips. Der Physiker zeigt sich optimistisch: Das Potenzial der Germaniumschichten bei ultra-niedrigen Wachstumstemperaturen sei noch nicht ausgeschöpft. Gelingt es, die Defekte zu verringern, könnte dies einen Durchbruch für noch leistungsfähigere Computer bedeuten.
Finale des Macke-Awards
Wilflingseders Masterarbeit ist einer von drei Beiträgen im Finale des Macke-Awards am 24. September. Eine Jury aus Schülerinnen und Schülern entscheidet, welche Physikarbeit den Award gewinnt. Gefragt ist dabei nicht nur fachliches Know-how, sondern auch die Fähigkeit, das Wissen verständlich zu vermitteln.
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