Paradoxes Silizium-Häutchen

Eigentlich hatte die Studentin Pengpeng Zhang von der Universität Wisconsin in Madison eine ganz harmlose Aufgabe. Sie sollte einen dünnen Siliziumfilm untersuchen, dessen Oberfläche zuvor gezielt von allen Fremdatomen gereinigt worden war. Die Studentin verwendete dazu ein gängiges Werkzeug der Halbleiterforschung: Das Rastertunnelmikroskop. Mit seiner Hilfe erzeugte sie Bilder einer gerade einmal zehn Nanometer dicken Siliziummembran – tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Als sie die Ergebnisse ihrem Professor vorlegte, staunte der nicht schlecht. Denn eigentlich hätte das Messverfahren bei so einer dünnen Halbleiterschicht gar nicht funktionieren dürfen.

"Die Studentin sagte: Es geht, hier sind die Bilder. Und ihr Professor, mein Kollege Mark Eriksson, sagte: Es dürfte eigentlich nicht funktionieren. Rastertunnelmikroskopie klappt nur bei Materialien, die den Strom leiten. Und diese Silizumschicht ist so dünn, dass ihr Widerstand viel zu hoch dazu sein müsste. Damit war unsere Neugier geweckt und wir wollten herausfinden, warum es offenbar doch funktioniert. Unsere erste Vermutung war dann: Vielleicht fließen die Elektronen nur an der Oberfläche der Membran. Durch die Reinigung bekommen die Oberflächenatome nämlich etwas andere elektronische Eigenschaften. Aber diese Vermutung war falsch."

Max Lagally ist ebenfalls Professor an der University of Wisconsin. Gemeinsam mit seinem Kollegen Eriksson, der Studentin Zhang und anderen beschreibt er in einem aktuellen Nature-Artikel, wie die Elektronen ihren Weg durch die ultradünne Siliziummembran finden. Den üblichen Leitungsmechanismus, bei dem Fremdatome im Halbleiter bewegliche Ladungsträger bereitstellen, konnten die Wissenschaftler dabei von vornherein ausschließen. Denn in einer zehn Nanometer dicken Membran ist die Konzentration dieser Fremdatome viel zu gering. Bei der Suche nach anderen Leitungsmechanismen fanden die Forscher dann heraus, dass die speziell präparierte Oberfläche ihres Films doch eine Schlüsselrolle spielt – nur eben anders als gedacht.

"Es sind tatsächlich einzig und allein die Ladungsträger im Silizium für den Stromfluss verantwortlich. Die bewegen sich, wenn sie so wollen, durch zusätzlich geschaffene Kanäle in der Membran. Und diese zusätzlichen Kanäle entstehen durch die Reinigung der Oberfläche. Der tatsächliche Mechanismus ist sehr komplex."

Anschaulich erklären lässt sich das Ganze, wenn man sich die Ladungsträger im Halbleiterfilm wie die Autos auf einer mehrspurigen Straße vorstellt. Kommen sie weitgehend ungestört voran, ist der Widerstand gering und die Leitfähigkeit des Materials hoch. In einem dünnen Siliziumfilm herrscht normalerweise Dauerstau. Die Ladungsträger stecken fest. Doch sobald man alle angelagerten Fremdatome von der Oberfläche entfernt, entsteht sozusagen eine zusätzliche Fahrspur. Die eingekeilten Ladungsträger im Siliziumfilm bekommen plötzlich Platz , um sich weiter zu bewegen – ein Strom fließt. Die Experimente der US-Forscher belegen, dass die bislang übliche Verunreinigung mit Fremdatomen nicht die einzige Methode ist, um die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt zu modifizieren. Und diese Erkenntnis, sagt Max Lagally, eröffne ganz neue Möglichkeiten.

"Das Ganze funktioniert nicht nur bei gereinigten Oberflächen. Wir könnten auch irgendeinen Stoff auf die Siliziummembran aufbringen, der diese ultradünne Schicht dann plötzlich leitend macht. Eine mögliche Anwendung wären Sensoren. Wenn wir auf das Silizium ein Polymer aufbringen oder irgendwelche Biomoleküle, dann würde die Membran ihren Widerstand verlieren, sobald sich irgendwelche Moleküle auf ihrer Oberfläche anlagern."

Inwieweit die überraschende Leitfähigkeit ultradünner Siliziumschichten einmal den Chipherstellern helfen könnte, die Miniaturisierung voranzutreiben, da will sich Max Lagally nicht festlegen. Für die gängigen Prozessoren sieht er keinen direkten Nutzen - dafür aber eine ganz neue Prozessorarchitektur am Horizont. Genaueres kann er aber noch nicht verraten, denn die Patentanmeldungen laufen noch.