Schwarzer Phosphor statt Silizium

Silizium ist aus der Halbleiter-Herstellung bisher nicht wegzudenken. Bei zunehmender Miniaturisierung stoßen die Hersteller aber immer öfter an die Grenzen der Physik. Wo es mit Silizium nicht weitergeht könnte schwarzer Phosphor die Alternative sein.

Südkoreanische Forscher haben aus schwarzem Phosphor einen Hochleistungs-Transistor entwickelt, der höchst interessante Eigenschaften besitzt. Schwarzer Phosphor ist übrigens ungefährlich - im Gegensatz zum weißen Phosphor, aus dem er unter hohem Druck und erhöhter Temperatur gebildet wird. Und besitzt Halbleiter-Eigenschaften, wie sie für Transistoren nötig sind.

Halbleitertaugliche Materialien kommen in zwei Variationen vor: n-Halbleiter und p-Halbleiter. Beim n-Typ handelt es sich (meist) um Silizum, das mit Phosphor, Arsen oder Antiomen „dotiert“ (also versetzt) wird, um einen Elektronenüberschuss zu erzeugen. Ein freies Elektron dient dann als Ladungsträger. Der p-Typ hat im Gegensatz dazu einen Überschuß an sogenannten „Löchern“, die freie Elektronen aufnehmen können. Dazu wird das Basismaterial mit Bor, Aluminium oder Indium dotiert, Stoffen, die die im Gegensatz zu den 5-wertigen des n-Typ 3-wertig sind, also nur drei Valenzelektronen besitzen (Silizium selbst ist 4-wertig, besitzt also vier Außenelektronen). Auf diese Weise kann gezielt die Leitungsfähigkeit des Halbleiters bestimmt werden – und die Richtung, in der der Strom fließt.

Die Forscher haben bei den Kristallen des schwarzen Phosphor herausgefunden, dass sie sowohl durch Veränderung der Lagendicke wie auch durch Variationen des Kontaktmetalls darüber bestimmen können, ob es sich wie ein n-Typ, ein p-Typ oder sogar ein ambipolarer, also ein beide Polaritäten betreffender Typ verhält. Der ambipolare Typ besitzt Eigenschsften, die dem von Graphit ähneln.

Bei Silizum muss zur Dotierung (und damit zur Entscheidung, welcher Typ hinterher vorliegt) von außen ein anderes Element in die Kristallstruktur eingebracht werden. Bei schwarzem Phosphor ist das nicht nötig, aus ihm lässt sich ein leichter, dünner Chip erzeugen, der nur aus diesem einen Material besteht. Allein durch eine Änderung des Metalls, das den Chip mit dem Stromkreis verbindet und die Lagendicke (die Anzahl der Atomschichten, die übereinander gestapelt sind) des Chips, lässt sich eine n-Typ-Variation beziehungsweise eine p-Typ-Variation herstellen. So können beide Variationen zusammen auf einem Chip existieren.

Im Gegensatz zum Silizium besitzt Phosphor bessere physikalischen Eigenschaften: die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit ergibt eine erhöhte Performance (bei geringerer Stromaufnahme). Allerdings fehlt bisher noch eine wirtschaftliche Gewinnungsmethode, eine echte Alternative zum Silizium ist er heute noch nicht. Silizium ist immerhin das zweithäufigste chemische Element nach dem Sauerstoff - etwa 25% der Erdkruste bestehen aus dem klassischen Grundstoff für Halbleiter.

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