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Schnellerer Transistor für schnelleren Computer: Germanium auf Silizium-Chip

08.02.2000 - (idw) Universität Essen (bis 31.12.2002)

Wissenschaftler der Universitäten Esssen und Hannover haben einen Transistor entwickelt, der Computerchips so schnell macht, wie es sie bisher nicht gab. Sie haben Germanium auf einen Siliziumwafer aufgedampft. IBM hat sich das Patent gesichert.

35/2000
8. Februar 2000

Ein bisschen ist es wie im Sport: Die Maxime heißt besser, schneller, leistungsfähi-ger - und einen Weltrekord gibt es auch bereits. Aufgestellt haben ihn zwei Natur-wissenschaftler: Michael Horn-von Hoegen, Professor für Obenflächenphysik an der Universität Essen, und sein Kollege Karl Hofmann, Experte der Halbleitertech-nologie an der Universität Hannover. Ihnen ist es erstmals gelungen, einen Transistor, also ein elektronisches Schaltelement, aus Germanium auf einem Siliziumwafer herzustellen, in dem sich die Elektronen mit 80 v. H. ihrer maximal möglichen Geschwindigkeit bewegen. Und das ist der Weltrekord! Der neue Transistor macht Silizium-Computer-Chips so schnell wie es sie bislang nicht gab.

Mikroprozessoren und Speicherchips, wie sie in der Computer- oder Kommunikationstechnologie verwendet werden, bestehen aus mehreren Millionen Metall-Oxyd-Feldeffekttransistoren, sogenannten MOSFETs, die fast alle aus dem Halbleiterelement Silizium hergestellt sind. Der Übertragung immer größerer Datenmengen in immer kürzerer Zeit sind die Silizium-Chips aber kaum noch gewachsen, denn in Silizium bewegt sich elektrischer Strom relativ langsam. Zwar konnte der Elektronenfluss bislang durch ständiges Verkleinern der Transistoren immer schneller gemacht werden, doch ist hier die Schallgrenze erreicht. Physikalische und technische Grenzen verhindern eine weitere Miniaturisierung der MOSFETs.

Horn-von Hoegen und Hofmann erinnerten sich eines anderen Halbleiterelements. In Germanium bewegen sich Elektronen von Natur aus zwei- bis dreimal schneller als in Silizium - eine seit langem bekannte Tatsache, aber: Die Herstellung eines Germanium-Transistors ist mit Hindernissen verbunden.

Problem Nummer eins: Bei der Transistor-Herstellung muss das Halbleiterelement auf eine Siliziumscheibe, einen sogenannten Wafer, aufgedampft werden - "Mole-kularstrahlepitaxie im Ultrahochvakuum" heißt die Technik, die dabei angewendet wird. Germanium aber lässt sich nur schwer auf Silizium auftragen, denn sein Kris-tallgitter ist um vier v. H. größer als das des Siliziums - statt eine saubere Verbindung einzugehen, reißt die Germaniumschicht auf und bildet kleine Tropfen, "Inseln", die den Elektronenfluss nahezu ausbremsen.

Ein Austausch des Siliziumwafers durch einen Germaniumwafer bringt keine Problemlösung. Germanium ist wesentlich teurer als Silizium, und eine Produktion großer Scheiben - Voraussetzung für die industrielle Chip-Produktion - ist technisch nicht möglich. Der Einsatz "atomarer Seife" - Surfactants nennt sie der Fachmann - hingegen brachte das Transistor-Projekt voran. Horn-von Hoegen benutzte als "atomare Seife" Antimon. Ähnlich wie der Schuss Spülmittel die Tropfenbildung auf Gläsern verhindert, verhindert das Antimon die Inselbildung des Germaniums und ermöglicht das Wachstum einer glatten und defektarmen Schicht.

Problem Nummer zwei: Ein Teil der Antimonatome bleibt in der Germaniumschicht zurück, verändert dadurch deren elektrische Eigenschaften und macht sie für mikroelektronische Bauelemente unbrauchbar. Aber, so ermittelte Horn-von Hoegen, das Eindringen der "atomaren Seife" in die Germaniumschicht verringert sich um den Faktor 1000, wenn die Aufdampftemperatur von ursprünglich 600 auf nun 700 Grad Celsius erhöht wird.

Michael Horn-von Hoegen und Karl Hofmann haben inzwischen den Prototyp eines Germanium-Transistors hergestellt. Neben seinem konkurrenzlos hohen Arbeitstempo bietet er einen zweiten Vorteil - er lässt sich in die bestehende Silizium-Technologie integrieren. Allerdings wird es noch einige Jahren dauern, ehe Computer mit den neuen Transistoren gebaut werden. Aber, so berichtet Horn-von Hoegen, die Industrie habe schon Interesse an der Entwicklung bekundet - das Patent dafür habe sich IBM gesichert.

Die Zusammenarbeit zwischen Horn-von Hoegen und Hofmann wurde begründet, als beide an der Universität Hannover tätig waren. Aber sie wird auch jetzt, nach dem Wechsel Horn-von Hoegens auf die Professur für Experimentalphysik an der Universität Essen, fortgesetzt. Die beiden Wissenschaftler beschäftigen sich zur Zeit mit Quantenelektronik-Bauelementen. Wieder geht es um einen Rekord. Quantenelektronik-Bauelemente sind mit ihren zehn Atomlagen Germanium auf dem Siliziumwafer wesentlich dünner und um den Faktor 10 bis 100 schneller als heute übli-che Transistoren.

Redaktion: Karin Kirch, Telefon (02 01) 1 83-20 85

Weitere Informationen: Prof. Dr. M. Horn-von Hoegen, Telefon (02 01) 1 83-43 38
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