Was kommt nach dem Silizium?

Der Prozessorgigant Intel hat auf seinem Entwicklerforum IDF in San Francisco ein Transistorenkonzept vorgestellt, das auf einem Material namens Indium-Antimonid (InSb) basiert. Aus InSb gebaute Komponenten sollen hervorragende Werte vorweisen können: mindestens 1,5-mal schneller als Silizium-Transistoren bei einem Energiebedarf von einem Zehntel.

Paolo Gargini, Intels Direktor für die Technologiestrategie, hält den Wechsel weg vom Silizium für einen kritischen Schritt für die ganze Chip-Industrie. Nur so könne sie in den nächsten Jahrzehnten noch kleinere Strukturen herstellen. Je winziger die Silizium-Transistoren sind, desto sichtbarer werden auch die Beschränkungen des Materials: "Silizium ist nicht das beste Halbleitermaterial", sagte Gargini bei der Vorstellung der InSb-Technik.

Derzeit bleibt Silizium aber noch führend – schließlich ist das Material relativ billig und der Produktionsprozess seit 30 Jahren im Einsatz. Verbund-Halbleiter wie Indium-Antimonid, die aus mehr als einem Element bestehen, sind allerdings sehr attraktiv. Der Grund: Sie haben spezielle elektrische und optische Eigenschaften.

Elektronen können sich durch einen InSb-Kristall rund 50-mal schneller als durch einen Silizium-Kristall bewegen, sagt Gargini. Dadurch werden nicht nur die ablaufenden elektronischen Prozesse beschleunigt, auch der Energiebedarf, der für den Fluss der Elektronen benötigt wird, sinkt.

Verbund-Halbleiter besitzen außerdem optische Eigenschaften, die die Kommunikation zwischen Transistoren auf einem Chip und zwischen verschiedenen Chips in einem Gerät beschleunigen könnten. Diese Materialien geben problemlos Licht ab und können es auch detektieren, wie David Hodges, Elektroingenieur an der University of California in Berkeley, erklärt. Die Technik werde seit Jahrzehnten studiert und verbessert. Licht-Emitter und Detektoren aus Verbundmaterialien könnten gar die derzeit noch verwendeten Kupferverbindungen ersetzen, die die Geschwindigkeit weiter beschränken.

Verbundmaterialien haben allerdings auch Nachteile. Derzeit lassen sich Milliarden von Transistoren gleichzeitig produzieren – auf Silizium-Wafern von bis zu 30 Zentimetern Durchmesser. Kristalle aus Verbundmaterialien wie Indium-Antimonid, Gallium-Arsenid (GaAs), Indium-Arsenid (InAs) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) neigen hingegen dazu, leicht zu brechen. Die gewohnt großen Wafer lassen sich daher nicht mit ihnen produzieren. Das bedeute, dass Verbundmaterialien Silizium nie ganz als Wafer-Basis für elektronische Komponenten ersetzen könnten, meint Gargini.

Stattdessen müssten "Inseln" mit InSb-Transistoren geschaffen werden, die auf Silizium-Substrat mit großem Durchmesser sitzen. Doch das Ablegen von Indium-Antimonid auf Silizium ist nicht leicht. Die Atome eines Silizium-Kristalls liegen genau 0,543 Nanometer auseinander, während sich die Indium-Antimonid-Atome im Abstand von 0,648 Nanometer verteilen. Aufgrund dieser fehlenden Übereinstimmung schließen die Kristallgefüge, wenn sie sich treffen, nicht immer vollständig miteinander ab, was dann zu ineffizienten Komponenten führt.

Um dieses Problem zu lösen, muss eine dünne Pufferschicht mit anderen Materialen angelegt werden. Diese haben dann auf der einen Seite einen ähnlichen Atomabstand wie Silizium und werden dann graduell soweit verändert, bis sie an das Indium-Antimonid angepasst sind. Diese chemische Verteilung gilt als eines der Hauptprobleme bei der Integration von Indium-Antimonid in Intels aktuelle Silizium- Plattform.

Neben dieser Pufferschicht müssen die Ingenieure auch die Isolationsschicht bedenken, wie Jesus del Alamo, Elektroingenieur am MIT und Spezialist für Mikroelektronik, sagt. Die so genannte Gate-Isolationsschicht stellt sicher, dass die Transistoren richtig arbeiten. Derzeit nutzen Silizium-Transistoren hierzu eine Siliziumdioxid-Schicht. Bei Verbund-Halbleitern funktioniert das aber nicht mehr. Das Interfacing zwischen Verbund-Halbleiter und Siliziumdioxid ist nicht optimal und seine Dielektrizitätskonstante zu gering. Aus diesem Grund müsse hier ein ganz neues Material entwickelt werden: "Das ist eine große Herausforderung", sagt del Alamo. Der MIT-Wissenschaftler glaubt allerdings, dass die Probleme zukünftig gelöst werden können: "Ich bin sehr optimistisch, dass es hier zu einem Durchbruch kommt."

Intel-Mann Gargini glaubt allerdings, dass es noch ein weiteres Jahrzehnt dauern könnte, bis die Technik tatsächlich in der Produktion verwendet wird. Intel selbst forscht seit drei Jahren in diesem Bereich. Verbund-Halbleiter seien außerdem nur eine von mehreren Möglichkeiten für künftige Prozessoren. Intel selbst habe zahlreiche Ideen – von der "Extreme Ultraviolet"-Lithographie über die weitere Verkleinerung von Silizium-Transistoren bis hin zu Silizium-Lasern, Silizium-Modulatoren und Silizium-Detektoren, bei denen Licht statt Kupfer verwendet wird, um Signale zu übertragen. "Verbund-Halbleiter werden nicht morgen in neuen Produkten stecken. Doch die Technik ist in der Pipeline", meint Gargini.

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)