Neuer Halbleiter für die Chips der Zukunft

Forschende des Forschungszentrums Jülich und des Leibniz-Instituts für innovative Mikroelektronik (IHP) haben ein Material entwickelt, das es bislang nicht gab: eine stabile Legierung aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn. Die neue Verbindung, abgekürzt CSiGeSn, eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen an der Schnittstelle von Elektronik, Photonik und Quantentechnologie.

Das Besondere an dem neuen Material ist, dass alle vier Elemente wie Silizium aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems stammen. Das macht die Legierung kompatibel mit dem Standardverfahren der Chipindustrie, dem sogenannten CMOS-Prozess – ein entscheidender Vorteil. Mit der Kombination dieser vier Elemente haben wir ein lang verfolgtes Ziel erreicht: den ultimativen Halbleiter auf Basis der vierten Hauptgruppe, erläutert Dr. Dan Buca vom Forschungszentrum Jülich.

Mit der neuen Legierung lassen sich Eigenschaften so feinjustieren, dass Bauelemente möglich werden, die mit reinem Silizium nicht realisierbar wären: etwa für optische Komponenten oder in Quantenschaltungen. Die Strukturen lassen sich direkt bei der Herstellung auf dem Chip erzeugen. Die Chemie setzt dabei klare Grenzen: Nur Elemente, die zur selben Hauptgruppe gehören wie Silizium, fügen sich nahtlos ins Kristallgitter auf dem Wafer ein. Elemente anderer Gruppen stören das empfindliche Gefüge. Das zugrunde liegende Verfahren heißt Epitaxie, ein Schlüsselprozess der Halbleitertechnologie, bei dem dünne Schichten atomgenau auf einem Substrat abgeschieden werden.

Verzahnung von Optik und Elektronik

Schon zuvor war es Forscherinnen und Forscher um Dan Buca gelungen, Silizium, Germanium und Zinn zu kombinieren und daraus Transistoren, Photodetektoren, Laser und LEDs zu entwickeln – oder thermoelektrische Materialien. Die Hinzunahme von Kohlenstoff erweitert nun die Möglichkeiten, die Bandlücke – entscheidend für das elektronische und photonische Verhalten – gezielt einzustellen. Ein Beispiel ist nach Aussage von Dan Buca ein Laser, der auch bei Raumtemperatur funktioniert. Viele optischen Anwendungen aus der Silizium-Gruppe stehen noch ganz am Anfang. Auch für die Entwicklung von geeigneten Thermoelektrika ergeben sich neue Möglichkeiten, um Wärme in Wearables und Computerchips in elektrische Energie umzuwandeln.

Der beschichtete Wafer ist optisch nicht von einem herkömmlichen zu unterscheiden (Bild: Forschungszentrum Jülich / Jenö Gellinek)

Gegensätze im Gitter vereint

Die Herstellung der neuen Verbindung galt lange als kaum machbar. Kohlenstoff ist winzig, Zinn groß und ihre Bindungskräfte sind sehr verschieden. Erst durch präzise Einstellung der Herstellungsprozesse gelang es, diese Gegensätze zu vereinen – mit einer industriellen CVD-Anlage von AIXTRON. Keine Spezialapparatur, sondern ein Gerät, wie es auch in der Chipproduktion genutzt wird.

Das Ergebnis: ein Material von hoher Qualität, gleichmäßig zusammengesetzt. Daraus entstand auch erstmals eine Leuchtdiode, die auf sogenannten Quantentopfstrukturen aus den vier Elementen aufbaut – ein wichtiger Schritt in Richtung neuer optoelektronischer Bauelemente. Das Material bietet eine bislang einzigartige Kombination aus abstimmbaren optischen Eigenschaften und Silizium-Kompatibilität, erklärt Prof. Dr. Giovanni Capellini vom IHP, der seit über 10 Jahren mit Dan Buca zusammenarbeitet, um die Anwendungspotenziale neuer Gruppe-IV-Halbleiter zu erschließen. Damit schaffen wir die Grundlage für skalierbare photonische, thermoelektrische und quantentechnische Bauelemente. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Originalpublikation

Omar Concepción, Ambrishkumar J. Devaiya, Marvin H. Zoellner, Markus A. Schubert, Florian Bärwolf, Lukas Seidel, Vincent Reboud, Andreas T. Tiedemann, Jin-Hee Bae, Alexei Tchelnokov, Qing-Tai Zhao, Christopher A. Broderick, Michael Oehme, Giovanni Capellini, Detlev Grützmacher, Dan Buca: Adaptive Epitaxy of C-Si-Ge-Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures; Advanced Materials (2025), DOI: 10.1002/adma.202506919