2D-Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid sollen die Halbleitertechnik revolutionieren und die Grundlage für die nächste Generation elektronischer Bauelemente bilden.
Forschungsarbeiten von Mahdi Pourfath und Prof. Tibor Grasser von der TU Wien haben jedoch gezeigt, dass viele dieser vielversprechenden 2D-Materialien für den Aufbau von Transistoren ungeeignet sind. Es genügt demnach nicht, die Eigenschaften des Materials selbst zu untersuchen, sondern es sind auch Grenzflächeneffekte zu berücksichtigen. Gemäß den Forschungen kann es bei der Verbindung von 2D-Materialien mit einer Isolatorschicht zur Bildung eines äußerst dünnen Spalts kommen. Dieser kann die elektronischen Eigenschaften erheblich verschlechtern. Die gute Nachricht ist, dass sich vorhersagen lässt, 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 ausgeschlossen ist.
Es kommt zu einer Spaltbindung, weil die Bindung zwischen vielen Kombinationen von 2D-Materialien und Isolatorschichten nicht besonders stark ist. Sie sind lediglich durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden, die eine vergleichsweise schwache Anziehung zwischen Halbleiter und Isolator bewirken. Das bedeutet, dass sich die beiden Schichten nicht fest aneinanderbinden und zwischen ihnen ein Spalt bleibt. Dieser Spalt ist winzig – er hat nicht einmal die Größe eines einzigen Schwefelatoms und beträgt lediglich 0,14 Nanometer. Trotzdem hat dieser Spalt starke Auswirkungen auf die Elektronik. Er verschlechtert die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Schichten. Unabhängig davon, wie gut die Eigenschaften der beiden Materialien sind, kann der Spalt zum limitierenden Faktor werden. Solange er da ist, sind der Miniaturisierung der Bauteile ganz prinzipiell Grenzen gesetzt.
„Wenn die Halbleiterindustrie mit 2D-Materialien erfolgreich sein will, dann müssen aktive Schicht und Isolatorschicht von Anfang an zusammen gedacht werden“, betont Mahdi Pourfath. Möglichkeiten gibt es: Sogenannte „Reißverschluss-Materialien“ („zipper materials“) vereinen Halbleiter und Isolator, die nicht nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte aneinandergekoppelt sind, sondern eine engere Bindung eingehen, die den Abstand eliminiert.
„Unsere Arbeit ist eine gute Nachricht für die Halbleiterindustrie“, sagt Tibor Grasser. „Wir können vorhersagen, welche Materialien für künftige Miniaturisierungsschritte geeignet sind und welche nicht.“ (jr)
