Der Nachfolger des Siliziumdioxid als Isolator erforscht
Schnelle Computerchips durch Strontiumtitanat

Wissenschaftler der Technischen Universitäten in Clausthal und Wien erforschen mittels Computersimulationen neue Materialien für kleinere und leistungsfähigere Transistorengenerationen.

hiz DÜSSELDORF. In einigen Jahren ist die Ära der bisherigen Chiptechnologie zu Ende. Die heute verwendeten Materialien, versagen dann ihren Dienst. Weitere Miniaturisierung und Leistungssteigerung ist dann nicht mehr möglich. Forscher suchen deshalb mit Hochdruck nach Werkstoffen die höhere Integrationsdichten erlauben.

Computerchips bestehen aus einer Ansammlung von elektronischen Schaltern, den Transistoren. Je kleine diese werden, desto mehr finden auf einem Chip Platz. Das bedeutet leistungsfähigere Rechner. Da kleine Schaltelemente auch schneller schalten können, werden auch Prozessoren schneller. Diese mikroskopisch kleinen Transistoren bestehen aus Silizium, eine so genannten Halbleitermaterial, das durch anlegen einer elektrischen Spannung Strom leiten kann oder sperren kann. Gegeneinander müssen diese Transistoren natürlich isoliert werden. Dazu nutzt man heute üblicherweise Siliziumdioxyd, weil es in den komplexen Fertigungsprozessen einfach zu integrieren ist. Diese Schicht, Gatteroxid genannt, wird in wenigen Jahren nur noch ein Fünfzigtausendstel eines menschlichen Haares "dick" sein. Der Isolator hat allerdings die unangenehme Eigenschaft, seine Funktion einzustellen, wenn er nur noch einige Atomlagen dick ist. Das bedeutet Kurzschluss auf dem Chip.

Also benötigt man ein Material, mit dem auch bei höherer Packungsdichte eine isolierende Schicht erzeugt werden kann. Das Ziel sind ja kleinere und leistungsfähigere Transistoren. Strontiumtitanat hat sich dabei als einer der aussichtsreichsten Kandidaten herauskristallisiert. Allerdings gibt dazu bisher noch keine Erkenntnisse, wie sich das Material in einer Schaltung verhalten wird. Den Wissenschaftlern der Technischen Universitäten in Clausthal und Wien ist es jetzt gelungen dieses Zusammenwirken herauszufinden. Sie können dank Computersimulationen den Herstellungsprozess der Oxidschicht erklären und damit aufzeigen, wie man deren elektrische Eigenschaften beeinflussen kann. Dank der Erkenntnisse kann das Strontiumtitanat als Isolator auf dem leitenden Silizium aufgebracht werden. Die Anordnung der Atome in den beiden Substanzen passt ineinander wie zwei Legobausteine und sorgt so für eine stabile Verbindung.

In Bezug auf die elektrischen Eigenschaften erklären die Forscher, dass die Isolation durch chemische Prozesse an der Grenzfläche entscheidend vergrößert werden kann. Das bedeutet geringeren Stromverbrauch und Wärmeentwicklung bei höheren Schaltgeschwindigkeiten. Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des internationalen Forschungskonsortiums „Integration of very high-k dielectrics with silicon CMOS technology“ (INVEST) durchgeführt und wird der Europäischen Kommission gefördert.

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