15 Sep. Neue Legierung verzahnt Optik und Elektronik
Eine neue Verbindung, die kompatibel ist mit dem Standardverfahren der Chipindustrie – dem CMOS-Prozess –, entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich und dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP).
Die Legierung setzt sich aus den vier Elementen Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn zusammen, kurz CSiGeSn. Alle vier haben gemeinsam, dass sie Elemente derselben Hauptgruppe sind. Dr. Dan Buca vom Forschungszentrum Jülich sagt: „Wir haben ein lang verfolgtes Ziel erreicht: den ultimativen Halbleiter auf Basis der vierten Hauptgruppe.“ Die Herstellung der neuen Verbindung galt lange als kaum machbar. Erst durch präzise Einstellung der Herstellungsprozesse gelang es nach Angaben der Forschenden, diese Gegensätze zu vereinen – mit einer industriellen CVD-Anlage von Aixtron. Keine Spezialapparatur, sondern ein Gerät, wie es auch in der Chipproduktion genutzt wird.
Die Wissenschaftler Dr. Dan
Buca (links) und Andreas Tie-
demann an der CVD-Anlage
von Aixtron, die Wafer mit der
neuen Legierung beschichtet. Bild: FZ Jülich / Jenö Gellinek
Mehr Möglichkeiten in der Siliziumphotonik
Mit der neuen Legierung sollen sich Eigenschaften so feinjustieren lassen, dass Bauelemente möglich werden, die mit reinem Silizium nicht realisierbar wären, erklären die Forschenden. Etwa für optische Komponenten oder in Quantenschaltungen. Die Strukturen lassen sich direkt bei der Herstellung auf dem Chip erzeugen. Schon zuvor gelang es den Forschenden, die drei Elemente Silizium, Germanium und Zinn zu kombinieren und daraus Transistoren, Fotodetektoren, Laser und LEDs zu entwickeln – oder thermoelektrische Materialien. Die Hinzunahme von Kohlenstoff erweitert nun die Möglichkeiten, die Bandlücke gezielt einzustellen. Das ist entscheidend für das elektronische und photonische Verhalten. „Viele optischen Anwendungen aus der Silizium-Gruppe stehen noch ganz am Anfang“, erläutert Buca. „Auch für die Entwicklung von geeigneten Thermoelektrika ergeben sich neue Möglichkeiten, um Wärme in Wearables und Computerchips in elektrische Energie umzuwandeln.“ Aus dem Material entstand auch erstmals eine LED, die auf sogenannten Quantentopfstrukturen aus den vier Elementen aufbaut – ein wichtiger Schritt in Richtung neuer optoelektronischer Bauelemente.
Originalveröffentlichung
[Omar Concepción et al.: Adaptive Epitaxy of C-Si-Ge-Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures; Advanced Materials (2025), DOI: 10.1002/adma.202506919]
Quelle: www.fz-juelich.de
Bild: FZ Jülich / Jenö Gellinek