Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des Leibniz-Instituts für Innovative Mikroelektronik (IHP) haben eine neuartige Legierung aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Zinn (CSiGeSn) entwickelt. Dieses Material, das alle vier Elemente der Gruppe IV des Periodensystems vereint, gilt als Meilenstein für die Entwicklung in den Bereichen Elektronik, Photonik und Quantentechnologie.
Die Schaffung einer stabilen Kristallstruktur, die diese chemisch unterschiedlichen Elemente integriert, war eine langjährige Herausforderung. Durch den Einsatz von Epitaxie und einem Chemical Vapor Deposition (CVD)-System der AIXTRON AG konnte das Forschungsteam dieses Ziel erreichen. Dr. Dan Buca vom Forschungszentrum Jülich bezeichnete die Entwicklung als einen lang erwarteten Durchbruch: "Durch die Kombination dieser vier Elemente haben wir ein langjähriges Ziel erreicht: den ultimativen Gruppe-IV-Halbleiter." Die Legierung ermöglicht eine präzise Abstimmung der Materialeigenschaften, die über die Fähigkeiten von reinem Silizium hinausgeht und Komponenten für optische Anwendungen oder Quantenschaltungen ermöglicht.
Ein wesentlicher Vorteil der CSiGeSn-Legierung ist ihre Kompatibilität mit dem CMOS-Prozess, dem Standardherstellungsverfahren der Chipindustrie. Dies erleichtert die Integration des neuen Materials in bestehende Produktionslinien und verspricht eine schnellere Markteinführung. Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Die CSiGeSn-Legierung ist nicht nur für die Weiterentwicklung klassischer Elektronik von Bedeutung, sondern auch für zukunftsweisende Technologien wie Quantencomputer. Die Fähigkeit, optische Komponenten direkt auf Chips zu integrieren, ist ein wichtiger Schritt zur Schaffung leistungsfähigerer und vielseitigerer Geräte. So wurde beispielsweise die erste Leuchtdiode auf Basis von Quantentopfstrukturen aus allen vier Elementen entwickelt, was einen bedeutenden Fortschritt für neue optoelektronische Komponenten darstellt.
Die Forschung an Gruppe-IV-Halbleitern wie Silizium, Germanium und Zinn sowie deren Legierungen ist ein aktives Feld, das darauf abzielt, die Grenzen aktueller Halbleitertechnologien zu erweitern. Insbesondere die Integration von Zinn in Germanium- und Silizium-basierte Schichten, wie sie in der CSiGeSn-Legierung geschieht, verspricht verbesserte elektronische Eigenschaften und neue Funktionalitäten. Die Arbeit des IHP, das Weltrekorde bei der Geschwindigkeit von Silizium-basierten Transistoren hält, unterstreicht die Bedeutung dieser Forschung für die Entwicklung ultra-schneller Elektronik.
Die breite Anwendbarkeit des CSiGeSn-Materials erstreckt sich über verschiedene Sektoren. Es bietet Potenzial für die Entwicklung von Lasern bei Raumtemperatur und effizienten thermoelektrischen Bauteilen, was wiederum die Weiterentwicklung von Wearable Technology und erneuerbaren Energien vorantreiben könnte. Die Forscher betonen, dass diese Entdeckung eine solide Grundlage für skalierbare photonische, thermoelektrische und Quantentechnologie-Komponenten schafft.