Wissenschaftler stoßen mittlerweile an physikalischen Grenzen, bei dem Bemühen die Größe von Transistoren zu minimieren, denn die Isolierschicht, die bei jedem Halbleiter notwendig ist, kann nur bis zu einer bestimmten Dicke reduziert werden - Wird sie dünner gibt es einen Kurzschluss, weiß Professor Blöchl aus Clausthal- Zellerfeld:
Dieses Gatteroxid ist momentan etwa im Bereich von 1,5 bis zwei Nanometer dick, das entspricht etwa drei bis vier Atomlagen. Hier ist das Problem, dass diese Isolierschicht nicht mehr isolierend ist, weil die Elektronen aufgrund von einem quantenmechanischen Phänomen durch so dünne Oxidschichten einfach durchtunneln können. Momentan verwendet man Siliziumdioxid, das ist ein Material, das man zum Beispiel als Fensterglas kennt, nur eben beliebig viel reinerer Form. Und das erhält man durch Oxidation der Siliziumoberfläche. Dieses Siliziummaterial, wenn man die elektrischen Eigenschaften entsprechend skaliert, wird dann zu dünn.
Am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Clausthal arbeitet Prof. Peter Blöchl zusammen mit seinem Wiener Kollegen Clemens Först an einer neuartigen Isolierschicht, die gewährleisten soll, dass Transistoren künftiger Generationen weiterhin schrumpfen dürfen. Glas, also Siliziumdioxid wäre damit jedoch ausgereizt. Strontiumtitanat heißt der Favorit unter den neuen Gatter- Schichten. Blöchl:
Momentan in der Herstellung wird es Atom für Atom zusammengesetzt. Man muss sich das so vorstellen, dass man in ultrahohem Vakuum arbeitet und dann einfach auf einer einfachen Siliziumoberfläche Sr-Atome herunterregnen lässt. Das kann man machen, indem man einfach oberhalb der Probe Strontium-Metall verdampft. Dann wird Sauerstoff hinzugegeben, aus einer Sauerstoffquelle, die reagiert dann mit dem Strontium und bildet aus Strontiumoxid Lagen. Danach kann man dann Titan zugeben, und auf die Weise kann man das Material, das aus Strontium, Sauerstoff und Titan besteht aufbauen.
Damit die nun noch dünnere Gatterschicht undurchlässig bleibt, müssen zunächst die offenen chemischen Bindungen der Siliziumschicht abgesättigt werden. So ist sicher, dass sie keinerlei andere Bindung mehr eingeht, durch die vielleicht ein Kurzschluss entstehen kann. Blöchl:
Wir haben gezeigt, dass man diese offenen Bindungen zunächst einmal absättigen kann, indem man eine halbe Monolage, also eine ganz bestimmte Anzahl von Sr-Atomen auf die Si-Oberfläche aufbringt. Dadurch werden diese Orbitale mit Elektronen gefüllt und die Si-Oberfläche wird dann unreaktiv. Auf diese Oberfläche kann man dann ein Oxid abscheiden, das eine nicht polare Oberfläche hat.
und nun entfaltet die chemische Reaktion mit dem Sauerstoff ihre Wirkung, die den Unterschied zwischen der alten und neuen Isolation zeigt: Während die alte Schicht aus Glas bald nicht mehr dünner hergestellt werden kann, könnte die Schicht aus Strontiumtitanat in einer Dicke des Fünfzigtausendstels eines menschlichen Haares noch einwandfrei isolieren, beweist Professor Peter Blöchl:
In unserem Fall haben wir gezeigt, dass Sauerstoffatome, die sich in die Grenzfläche einlagern, einen elektrostatischen Dipol erzeugen. Man muss sich das so vorstellen, als würde hier eine zusätzliche Potentialstufe eingeführt, die dann die Barriere entsprechend erhöht. Und damit konnte eben gezeigt werden, dass durch chemischen Einfluss diese Barriere beeinflusst werden kann.
Im Labor funktioniert es bereits - für den großtechnischen Einsatz wird das Verfahren erst entwickelt, wenn abzusehen ist, dass Halbleiter so klein werden, dass Siliziumdioxid als Gatterschicht nicht mehr ausreicht - Soweit ist man aber erst in einigen Jahren.
Dieses Gatteroxid ist momentan etwa im Bereich von 1,5 bis zwei Nanometer dick, das entspricht etwa drei bis vier Atomlagen. Hier ist das Problem, dass diese Isolierschicht nicht mehr isolierend ist, weil die Elektronen aufgrund von einem quantenmechanischen Phänomen durch so dünne Oxidschichten einfach durchtunneln können. Momentan verwendet man Siliziumdioxid, das ist ein Material, das man zum Beispiel als Fensterglas kennt, nur eben beliebig viel reinerer Form. Und das erhält man durch Oxidation der Siliziumoberfläche. Dieses Siliziummaterial, wenn man die elektrischen Eigenschaften entsprechend skaliert, wird dann zu dünn.
Am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Clausthal arbeitet Prof. Peter Blöchl zusammen mit seinem Wiener Kollegen Clemens Först an einer neuartigen Isolierschicht, die gewährleisten soll, dass Transistoren künftiger Generationen weiterhin schrumpfen dürfen. Glas, also Siliziumdioxid wäre damit jedoch ausgereizt. Strontiumtitanat heißt der Favorit unter den neuen Gatter- Schichten. Blöchl:
Momentan in der Herstellung wird es Atom für Atom zusammengesetzt. Man muss sich das so vorstellen, dass man in ultrahohem Vakuum arbeitet und dann einfach auf einer einfachen Siliziumoberfläche Sr-Atome herunterregnen lässt. Das kann man machen, indem man einfach oberhalb der Probe Strontium-Metall verdampft. Dann wird Sauerstoff hinzugegeben, aus einer Sauerstoffquelle, die reagiert dann mit dem Strontium und bildet aus Strontiumoxid Lagen. Danach kann man dann Titan zugeben, und auf die Weise kann man das Material, das aus Strontium, Sauerstoff und Titan besteht aufbauen.
Damit die nun noch dünnere Gatterschicht undurchlässig bleibt, müssen zunächst die offenen chemischen Bindungen der Siliziumschicht abgesättigt werden. So ist sicher, dass sie keinerlei andere Bindung mehr eingeht, durch die vielleicht ein Kurzschluss entstehen kann. Blöchl:
Wir haben gezeigt, dass man diese offenen Bindungen zunächst einmal absättigen kann, indem man eine halbe Monolage, also eine ganz bestimmte Anzahl von Sr-Atomen auf die Si-Oberfläche aufbringt. Dadurch werden diese Orbitale mit Elektronen gefüllt und die Si-Oberfläche wird dann unreaktiv. Auf diese Oberfläche kann man dann ein Oxid abscheiden, das eine nicht polare Oberfläche hat.
und nun entfaltet die chemische Reaktion mit dem Sauerstoff ihre Wirkung, die den Unterschied zwischen der alten und neuen Isolation zeigt: Während die alte Schicht aus Glas bald nicht mehr dünner hergestellt werden kann, könnte die Schicht aus Strontiumtitanat in einer Dicke des Fünfzigtausendstels eines menschlichen Haares noch einwandfrei isolieren, beweist Professor Peter Blöchl:
In unserem Fall haben wir gezeigt, dass Sauerstoffatome, die sich in die Grenzfläche einlagern, einen elektrostatischen Dipol erzeugen. Man muss sich das so vorstellen, als würde hier eine zusätzliche Potentialstufe eingeführt, die dann die Barriere entsprechend erhöht. Und damit konnte eben gezeigt werden, dass durch chemischen Einfluss diese Barriere beeinflusst werden kann.
Im Labor funktioniert es bereits - für den großtechnischen Einsatz wird das Verfahren erst entwickelt, wenn abzusehen ist, dass Halbleiter so klein werden, dass Siliziumdioxid als Gatterschicht nicht mehr ausreicht - Soweit ist man aber erst in einigen Jahren.