Dehnbares Silizium

Ein neues Design für Halbleiter macht es möglich, sie mechanisch so zu strecken, dass sie große Flächen abdecken können. Diese Chips, die gedehnt mehrere tausend Mal größer sein können als ihre Ausgangsvariante, sollen ihren Weg in Solarpanels, Sensorennetzwerke und Flachbildschirme finden und deren Herstellung deutlich verbilligen, hoffen Forscher.

Das Projekt, das an der Stanford University entstand, setzt auf frei beweglichen "Halbleiter-Inseln", die von Spulen aus Siliziumdraht umgeben sind. Jede einzelne Insel kann so aufbereitet werden, dass sie Transistoren, Sensoren oder das Material für kleine Solarzellen enthält. Zieht man die Komponente nun auseinander, wickeln sich die Spulen um die Inseln ab. Die zuvor nebeneinanderliegenden Inseln werden so gedehnt, ohne dass die Verbindung abbricht. Das Endergebnis ist ein netzähnliches Muster aus Halbleitern.

Demonstriert wurde die Technik bereits mit einer 50-fachen Vergrößerung der Ausgangskomponente. Peter Peumans, Professor für Elektrotechnik in Stanford, der das Projekt leitet, sagt aber, dass sich die Halbleiter auf das Tausendfache wenn nicht sogar Zehntausendfache ausdehnen ließen, entsprechendes Equipment vorausgesetzt.

"Die Arbeit nutzt das Konzept integrierter Schaltungen, das in der Mikroelektronik so erfolgreich war, und überträgt es auf großflächige Anwendungen", meint Marc Baldo, Elektrotechnik-Professor am MIT. In der Halbleiterbranche werden immer mehr Hochleistungstransistoren auf gleichbleibenden Raum gequetscht, während die Kosten pro Transistor sinken. Doch viele Anwendungen erforderten es heute, dass die Transistoren und andere halbleiterbasierte Geräte weiter verteilt würden, sagt Baldo.

Ein Beispiel sind Flachbildschirme – hier müssen Millionen von Transistoren angeordnet werden, um jeden Bildpunkt zu kontrollieren. Bei LC-Displays konnte man dazu relativ langsame Transistoren verwenden, die hergestellt werden, indem amorphes Silizium auf große Glasstücke aufgebracht wird. Doch die nächste Generation von Displays, die noch heller, farbintensiver und energieeffizienter sein sollen, benötigen leistungsfähigere Transistoren aus hochwertigerem Silizium. Und genau das kann sehr teuer werden, wenn man ein ganzes Display damit beschichten möchte. Mit Peumans' Methode wäre es hingegen möglich, nur eine kleine Menge Silizium zu verwenden, um die Kosten zu senken. Hinzu kommt, dass die Komponenten bereits intern verdrahtet sind. Das ist ein großer Vorteil, weil bei anderen großflächigen Produktionsmethoden genau dies ebenfalls sehr teuer werden kann, wie Baldo erläutert.

Die Möglichkeit, weniger Silizium zu verwenden und geordnete Platten voller verdrahteter Halbleiter zu formen, könnte sich auch zur Herstellung billiger Solarpanels eignen. Konventionelle Sonneneinfänger absorbieren Licht, weil die gesamte Oberfläche mit hochwertigem Silizium überzogen ist. Mehrere Firmen versuchen nun, die Siliziummenge zu reduzieren, indem das Licht auf kleinere Siliziumchips konzentriert wird. Zu den verwendeten Tricks gehören kleine Linsen, die das Licht bündeln. Peumans' Methode soll viel billiger sein – er hat deshalb extra eine Firma namens NetCrystal im kalifornischen Mountain View gegründet, die solche neuartigen Panels produzieren soll.

Peumans arbeitet außerdem mit Boeing zusammen, um so genannte Sensorennetzwerke für Flugzeuge zu entwickeln. Dabei sollen siliziumbasierte Sensoren in die Schichten des Verbundmaterials integriert werden, die die Flügel und andere Flugzeugteile ausmachen – etwa in der neuen 787. Die Sensoren würden dann automatisch erkennen, ob es Bruchstellen im Material gibt. Dies würde lange Wartungschecks womöglich unnötig und Probleme frühzeitig erkennbar machen.

Die Technologie des Forschers ist allerdings nicht der einzige Ansatz, Chips über große Flächen zu verteilen. Konkurrierende Systeme bieten jedoch weniger Leistungsfähigkeit. So werden etwa anorganische oder organische "Halbleitertinten" verwendet, mit der sich Flächen bedrucken lassen. Doch die beste anorganische Lösung ist zehnmal langsamer als Peumans' Ansatz; bei organischen Halbleitern ist es noch wesentlich schlimmer.

Die größte Hürde bei Peumans' Technologie: Er muss beweisen, dass die Spulen um die Silizium-Inseln stabil genug sind und nicht brechen, wenn sie abgerollt werden. Dafür werden diese nun extra verstärkt. Im nächsten Schritt will der Forscher eine funktionsfähige Komponente aus dem Material schaffen – ein Prototyp für ein Solarpanel ist bereits entwickelt. (bsc)