News: Gegen den Strom
Das Ende ist absehbar: Siliciumdioxid wird als Isolator nicht auf ewig in Computerchips dem Strom Paroli bieten können. Gut, dass Wissenschaftler bereits Alternativen in petto haben - zumindest theoretisch.
© Atomares Lego (Ausschnitt)
Schneller, immer schneller sollen sie werden: die Computerchips. Wenn das auch mit zusehends kleineren Abmessungen der Prozessoren einhergeht, um so besser. Und tatsächlich: Kleine Transistoren, die zu Millionen die logischen Schaltkreise der Computerherzen aufbauen, schalten deutlich zügiger als ihre größeren Kollegen.
Doch damit ein Transistor überhaupt funktioniert, benötigt er eine dünne, isolierende Schicht: das Gatteroxid. Diese Schicht wird – wenn denn die Miniaturisierung sich so fortsetzt, wie es in der Vergangenheit der Fall war – in wenigen Jahren nur noch Nanometer dick sein. Das jedoch bereitet Probleme. Denn wird wie bisher Siliciumdioxid als Gatteroxid eingesetzt, dann ist spätestens zu diesem Zeitpunkt das Ende der Fahnenstange erreicht. Die Transistoren lassen sich nicht mehr weiter verkleinern, und den ewig neuen Geschwindigkeitsrekorden der Chips dürfte damit Einhalt geboten sein.
Das Problem: Ist Siliciumdioxid – allgemein als Fensterglas bekannt – nur noch wenige Atomlagen dick, verliert es seine isolierende Eigenschaft. Im Transistor entsteht eine Art Kurzschluss. Benötigt wird also ein Material, das sich – abgesehen von seinem Widerstand – zumindest so verhält, als bestünde es aus einer ultradünnen Schicht Siliciumdioxid, sodass sehr schnelles Schalten der Transistoren möglich ist. Noch besser wäre es indes, wenn das neue Material dem elektrischen Strom einen noch größeren Widerstand entgegensetzt, als es Siliciumdioxid tut. Dann ließe sich das Gatteroxid tatsächlich noch dünner fertigen. Denn das Ziel soll schließlich weiterhin noch leistungsfähigere und kleinere Transistoren und Computerchips sein.
Weltweit zerbrechen sich Wissenschaftler seit Jahren den Kopf darüber, welche Materialien zukünftig Siliciumdioxid ersetzen können. Strontiumtitanat hat sich dabei als einer der aussichtsreichsten Kandidaten herauskristallisiert. Bisher kannte man jedoch nur das Kochrezept, nicht aber das Zusammenwirken der einzelnen Zutaten. Denn weiterhin soll in Prozessoren Silicium als halbleitendes Material seine Arbeit verrichten, nur sein Oxid wird dann nicht mehr benötigt.
Clemens Först erforscht seit einiger Zeit zusammen mit Kollegen der Technischen Universitäten in Clausthal und Wien mittels Computersimulationen die Grenzschicht zwischen halbleitendem Silicium und isolierendem Strontiumtitanat. Nun ist es dem Forscherteam offenbar erstmals gelungen, das Zusammenwirken der unterschiedlichen Materialien aufzuklären.
"Computersimulationen bringen Licht in atomare Dimensionen, bei denen man sonst weit gehend blind war," erklärt Peter Blöchl aus der Clausthaler Arbeitsgruppe. So zeigten die Computersimulationen Atom für Atom, wie das neue Gatteroxid Strontiumtitanat auf einen Siliciumwafer aufzubringen ist.
"Man kann sich den Verbund aus Silicium und Strontiumtitanat wie zwei aufeinander gesteckte Legobausteine vorstellen", erklärt Först das wesentliche Resultat. Festkörperoberflächen weisen ein charakteristisches atomares und elektronisches Muster auf, das durch die Anordnung der Atome bestimmt ist. Das Ladungsmuster der Oxidschicht, vergleichbar mit dem Steckmuster eines Legobausteines, passt zu dem Muster der mit Strontium abgesättigten Siliciumoberfläche – eine wesentliche Voraussetzung für das reibungslose Funktionieren der späteren Transistoren.
Vergleichbar mit einem Damm, der Wasser aufhält, stellt das Oxid eine Barriere für Elektronen dar. Je höher diese Barriere ist, desto besser sind die isolierenden Eigenschaften. Die Wissenschafter konnten zeigen, dass sich die Barriere durch chemische Prozesse an der Grenzfläche entscheidend vergrößern lässt. Das heißt, eine geeignet gewählte Grenzfläche bewirkt einen ähnlich großen Widerstand für den elektrischen Strom wie eine dicke Isolatorschicht. So lässt sich letztere auch dünner herstellen, ohne Gefahr zu laufen, dass Elektronen die Barriere überwinden.
All diese Eigenschaften machen Strontiumtitanat offenbar zum Material der Wahl als künftiges Gatteroxid fürTransistoren. Die technologischen Anforderungen erscheinen zumindest theoretisch erfüllt. Bleibt abzuwarten, wie sich das Material in der Praxis schlägt.
Doch damit ein Transistor überhaupt funktioniert, benötigt er eine dünne, isolierende Schicht: das Gatteroxid. Diese Schicht wird – wenn denn die Miniaturisierung sich so fortsetzt, wie es in der Vergangenheit der Fall war – in wenigen Jahren nur noch Nanometer dick sein. Das jedoch bereitet Probleme. Denn wird wie bisher Siliciumdioxid als Gatteroxid eingesetzt, dann ist spätestens zu diesem Zeitpunkt das Ende der Fahnenstange erreicht. Die Transistoren lassen sich nicht mehr weiter verkleinern, und den ewig neuen Geschwindigkeitsrekorden der Chips dürfte damit Einhalt geboten sein.
Das Problem: Ist Siliciumdioxid – allgemein als Fensterglas bekannt – nur noch wenige Atomlagen dick, verliert es seine isolierende Eigenschaft. Im Transistor entsteht eine Art Kurzschluss. Benötigt wird also ein Material, das sich – abgesehen von seinem Widerstand – zumindest so verhält, als bestünde es aus einer ultradünnen Schicht Siliciumdioxid, sodass sehr schnelles Schalten der Transistoren möglich ist. Noch besser wäre es indes, wenn das neue Material dem elektrischen Strom einen noch größeren Widerstand entgegensetzt, als es Siliciumdioxid tut. Dann ließe sich das Gatteroxid tatsächlich noch dünner fertigen. Denn das Ziel soll schließlich weiterhin noch leistungsfähigere und kleinere Transistoren und Computerchips sein.
Weltweit zerbrechen sich Wissenschaftler seit Jahren den Kopf darüber, welche Materialien zukünftig Siliciumdioxid ersetzen können. Strontiumtitanat hat sich dabei als einer der aussichtsreichsten Kandidaten herauskristallisiert. Bisher kannte man jedoch nur das Kochrezept, nicht aber das Zusammenwirken der einzelnen Zutaten. Denn weiterhin soll in Prozessoren Silicium als halbleitendes Material seine Arbeit verrichten, nur sein Oxid wird dann nicht mehr benötigt.
Clemens Först erforscht seit einiger Zeit zusammen mit Kollegen der Technischen Universitäten in Clausthal und Wien mittels Computersimulationen die Grenzschicht zwischen halbleitendem Silicium und isolierendem Strontiumtitanat. Nun ist es dem Forscherteam offenbar erstmals gelungen, das Zusammenwirken der unterschiedlichen Materialien aufzuklären.
"Computersimulationen bringen Licht in atomare Dimensionen, bei denen man sonst weit gehend blind war," erklärt Peter Blöchl aus der Clausthaler Arbeitsgruppe. So zeigten die Computersimulationen Atom für Atom, wie das neue Gatteroxid Strontiumtitanat auf einen Siliciumwafer aufzubringen ist.
"Man kann sich den Verbund aus Silicium und Strontiumtitanat wie zwei aufeinander gesteckte Legobausteine vorstellen", erklärt Först das wesentliche Resultat. Festkörperoberflächen weisen ein charakteristisches atomares und elektronisches Muster auf, das durch die Anordnung der Atome bestimmt ist. Das Ladungsmuster der Oxidschicht, vergleichbar mit dem Steckmuster eines Legobausteines, passt zu dem Muster der mit Strontium abgesättigten Siliciumoberfläche – eine wesentliche Voraussetzung für das reibungslose Funktionieren der späteren Transistoren.
Vergleichbar mit einem Damm, der Wasser aufhält, stellt das Oxid eine Barriere für Elektronen dar. Je höher diese Barriere ist, desto besser sind die isolierenden Eigenschaften. Die Wissenschafter konnten zeigen, dass sich die Barriere durch chemische Prozesse an der Grenzfläche entscheidend vergrößern lässt. Das heißt, eine geeignet gewählte Grenzfläche bewirkt einen ähnlich großen Widerstand für den elektrischen Strom wie eine dicke Isolatorschicht. So lässt sich letztere auch dünner herstellen, ohne Gefahr zu laufen, dass Elektronen die Barriere überwinden.
All diese Eigenschaften machen Strontiumtitanat offenbar zum Material der Wahl als künftiges Gatteroxid fürTransistoren. Die technologischen Anforderungen erscheinen zumindest theoretisch erfüllt. Bleibt abzuwarten, wie sich das Material in der Praxis schlägt.
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