Genial zweidimensional

Effizientes Dotieren der Halbleiter von morgen: Einem Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gelang mit Unterstützung der Professur Halbleiterphysik der TU Chemnitz ein Durchbruch

Elektronik der Zukunft ist ohne zweidimensionale Materialien undenkbar. Sie sind die große Hoffnung für leistungsfähige und energieeffiziente Elektronikkomponenten. Gleichzeitig erschweren aber die einzigartigen Eigenschaften der zweidimensionalen Materialien ihre Dotierung mit Fremdatomen. Dieser Schritt ist notwendig, um die elektrische Leitfähigkeit präzise einzustellen und das Material in einen p- oder n-Typ-Halbleiter zu verwandeln. An dieser Stelle ist einem Team um Dr. Slawomir Prucnal vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mit Hilfe der Forschungsgruppe von Dr. Arkady Krasheninnikov am HZDR und Prof. Dr. Dietrich Zahn vom Institut für Physik der TU Chemnitz nun ein Durchbruch gelungen, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift "Nanoscale" (DOI: 10.1039/D0NR08935D) berichten. Die von ihnen verwendete Deckschicht ermöglicht es, die neuen Materialien mit den bereits etablierten Verfahren für herkömmliche Halbleiter zu bearbeiten. Das ist ein großer Schritt auf dem Weg aus dem Labor in die industrielle Fertigung.

Herkömmliche Halbleiter, wie sie in heutigen Heimcomputern, Mobiltelefonen oder Industrierechnern stecken, basieren auf Silizium. Die Technologie dahinter ist bestens erforscht, die Produktionsprozesse sind optimiert. Doch um den immer größer werdenden Leistungshunger moderner Elektronik zu stillen, stößt Silizium an seine Grenzen. Alternativen müssen her. Diese bieten sich in Form ultradünner, zweidimensionaler Materialien. Das bekannteste ist wohl Graphen. Mittlerweile gibt es aber noch viele weitere, zum Beispiel aus der Materialklasse der sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogenide. Sie alle haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind nur wenige Atomlagen dick. Bei dem von Slawomir Prucnal untersuchten Molybdändiselenid sind das zum Beispiel genau drei, die zusammen hunderttausendmal dünner sind als ein menschliches Haar.

„Damit Materialien wie Silizium oder eben die neuen 2D-Materialien als elektronische Komponenten funktionieren, müssen wir ihre inneren Eigenschaften verändern“, erklärt Slawomir Prucnal, der am HZDR in der Abteilung Halbleitermaterialien des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung arbeitet. „Dazu schleusen wir einige fremde Atome in das regelmäßige Kristallgitter ein. Das nennen wir dotieren.“ Bei der industriellen Fertigung von Siliziumchips geschieht das durch Ionenimplantation. Dazu wird ein Strahl geladener Teilchen auf das Material gerichtet, von denen einige im Kristallgitter eingebaut werden. „Bei zweidimensionalen Materialien ist das schwierig“, sagt Slawomir Prucnal. „Denn die Ionen aus dem Strahl müssen genau in den wenigen Atomlagen stoppen, aus der das Material besteht.“

Deshalb haben er und sein Team am HZDR die neuen Werkstoffe mit einer speziellen Deckschicht versehen. Der Aufbau dieser Schicht gibt den Wissenschaftlern die Möglichkeit, den Prozess der Dotierung sehr genau zu steuern. „Jetzt können wir die Fremdatome aus dem Ionenstrahl präzise ins Kristallgitter des 2D-Materials transportieren, sodass sie dort eingebaut werden.“ Das hat einen entscheidenden Vorteil: Dank der Deckschicht lassen sich die neuen Materialien mit den gleichen Produktionsanlagen bearbeiten, die für heutige Siliziumchips im Einsatz sind.  

Nachdem Slawomir Prucnal und seine Forschungsgruppe nachgewiesen haben, dass ihr Konzept mit Molybdändiselenid (MoSe₂) – einem Material aus der Klasse der Übergangsmetall-Dichalkogenide – und einer Dotierung mit Chloridionen funktioniert, prüfen sie aktuell weitere 2D-Materialien. Die Effizienz des Einbaus von Chloridionen als Dotierstoff im 2D-Halbleiter MoSe₂ wurde mittels inelastischer Lichtstreuung, der sogenannten Raman-Spektroskopie, nachgewiesen. „Ein weiteres Mal erweist sich die Raman-Spektroskopie als das herausragende Instrument, um die Eigenschaften von 2D-Materialien zu verstehen“, erläutert Prof. Dr. Dietrich R.T. Zahn, Inhaber der Professur für Halbleiterphysik an der TU Chemnitz. Im nächsten Schritt soll die Implantationsmethode verwendet werden, um einen voll funktionsfähigen elektronischen Schaltkreis herzustellen. Außerdem wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die optischen Eigenschaften der 2D-Halbleiter demonstrieren, denn im Gegensatz zu Silizium sind solche Materialien sehr gute Lichtemitter. „Heutige Schaltkreise kommunizieren mit einem Fluss von Elektronen; also mit elektrischem Strom“, erklärt Slawomir Prucnal. „Schaltkreise aus den neuen Materialien könnten hingegen mit einem Fluss von Photonen kommunizieren; also mit Licht. Solche nano-opto-elektronischen Bauelemente sind nicht nur viel schneller, sie benötigen auch wesentlich weniger Energie und erzeugen keine Abwärme.“

Publikation: S. Prucnal, A. Hashemi, M. Ghorbani-Asl, R. Hübner, J. Duan, Y. Wei, D. Sharma, D. R. T. Zahn, R. Ziegenrücker, U. Kentsch, A. V. Krasheninnikov, M. Helm, S. Zhou, Chlorine doping of MoSe₂ flakes by ion implantation, in Nanoscale, 2021 (DOI: 10.1039/D0NR08935D)

Weitere Informationen: Dr. Slawomir Prucnal, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR, Telefon +49 (0)351 260 2065, E-Mail: s.prucnal@hzdr.de und Prof. Dr. Dietrich R.T. Zahn, Telefon +49 (0)371 531-33036, E-Mail zahn@physik.tu-chemnitz.de

(Quelle: Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf mit Ergänzungen der TU Chemnitz)

Mario Steinebach
25.06.2021

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