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Weg vom Silizium - hin zum Germanium?


Die schematische Abbildung zeigt die Verwendung von Germanium in einem CMOS-(complementary metal oxide semiconductor)- Schaltkreis. Man beachte, dass Germanium hier nur in den Regionen von Quelle (Source), Senke (Drain) und Kanal (Channel) eingesetzt wird. Quelle und Senke enthalten eine sehr hohe Konzentration von Fremdatomen, die für Elektronenüberschuss (n+-Gebiete) bzw. -mangel (p+-Gebiete) sorgen.
Die Verwendung von Germanium als Grundmaterial für elektronische Schalter würde die Herstellung von schnelleren Chips mit einem höheren Integrationsgrad ermöglichen. Jedoch gibt es dabei noch eine Reihe von Problemen zu lösen. Bisher war es nicht möglich, auf Germanium-Basis einen bestimmten Typ von Transistoren (NMOS) mit einem technologisch interessanten Integrationsgrad herzustellen. Zwei neuartige Verfahren, die Wissenschaftler aus dem FZD gemeinsam mit internationalen Kollegen erfolgreich einsetzten, schaffen hier Abhilfe.

Mit Germanium und einigen andere Halbleitern könnte man höhere Schaltgeschwindigkeiten als mit Silizium erreichen. Germanium ist besonders attraktiv, da es sich gut in existierende technologische Abläufe integrieren ließe. Es war das Grundmaterial der ersten Transistor-Generationen, bevor es Ende der 1960er Jahre von Silizium abgelöst wurde. Der Grund dafür waren die exzellenten elektronischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter Silizium und seinem passivierenden und isolierenden Oxid. Dieser Vorteil kann jedoch bei weiterer Verkleinerung der Transistoren im integrierten Schaltkreis nicht mehr genutzt werden, da dann das Oxid durch sogenannte high-k Materialien ersetzt werden muss. Damit stellt sich auch die Frage nach dem Grundmaterial neu.

Durch das Einbringen von Fremdatomen wird die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt verändert. Eine Möglichkeit bietet hier die Ionen-Implantation (Ionen sind geladene Atome) mit nachfolgender Wärmebehandlung, Ausheilung genannt. Die Ausheilung des Halbleiter-Kristalls ist notwendig, da das Material während der Implantation stark geschädigt wird. Erst danach erhält man die gewünschten elektrischen Eigenschaften. Während mit diesen Methoden p-Kanal-Transistoren (PMOS) auf Germanium-Basis mit Abmessungen hergestellt werden können, die einer zukünftigen 22-Nanometer-Technologie entsprechen, ist das für n-Kanal-Transistoren (NMOS) bisher noch nicht gelungen. Der Grund hierfür ist die starke räumliche Umverteilung der Phosphor-Fremdatome, die zur Herstellung der n+-Gebiete verwendet werden müssen.

Physikern vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf ist es gelungen, nach der Ionen-Implantation von Phosphor in Germanium mit Hilfe einer speziellen Ausheil-Methode die Qualität des Germanium-Kristalls wiederherzustellen sowie gute elektrische Eigenschaften zu erzielen, ohne dass eine starke Umverteilung der Phosphor-Atome auftritt. Dazu wurde die Germanium-Probe mit einem kurzen Lichtblitz von nur wenigen Millisekunden Länge erhitzt. Dieser Zeitraum ist zu kurz für die sonst bei der Ausheilung beobachtete Diffusion der Phosphor-Atome. Die Lichtblitze werden in einer am FZD entwickelten Blitzlampen-Anlage erzeugt. Die Analyse der elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Phosphor-dotierten Schichten im Germanium erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem belgischen Mikroelektronik-Forschungszentrum IMEC in Leuven und dem Dresdner Fraunhofer-Center Nanoelektronische Technologien (CNT).

Eine alternative Methode zur Unterdrückung der Diffusion von Phosphor in Germanium untersucht ein internationales Team, dem neben anderen Wissenschaftlern aus Deutschland, Dänemark und den USA auch Physiker aus dem FZD angehören. Nach der Ionen-Implantation von Phosphor in Germanium wird die Probe erhitzt und dann mit Protonen bestrahlt. Es zeigt sich, dass die Protonen-Bestrahlung zu einer Reduktion der Phosphor-Diffusion führt. Die Ergebnisse dieser Experimente werden mit dem Einfluss bestimmter Gitterdefekte (Zwischengitter-Atome) erklärt, die jene Gitterdefekte (Leerstellen), welche für die Beweglichkeit der Phosphor-Atome verantwortlich sind, vernichten.

Die Experimente der Rossendorfer Physiker und ihrer Kollegen zeigen, dass es möglich ist, auf Germanium-Basis n-Kanal-Transistoren (NMOS) herzustellen, deren Abmessungen dem fortgeschrittensten Integrationsgrad entsprechen.

Veröffentlichungen
C. Wündisch, M. Posselt, B. Schmidt, V. Heera, T. Schumann, A. Mücklich, R. Grötzschel, W. Skorupa, T. Clarysse, E. Simoen, H. Hortenbach, "Millisecond flash lamp annealing of shallow implanted layers in Ge", in: Applied Physics Letters. 95 (2009), 252107.
DOI: 10.1063/1.3276770.

H. Bracht, S. Schneider, J. N. Klug, C. Y. Liao, J. Lundsgaard Hansen, E. E. Haller, A. Nylandsted Larsen, D. Bougeard, M. Posselt, C. Wündisch, "Interstitial-Mediated Diffusion in Germanium under Proton Irradiation", in: Physical Review Letters 103 (2009), 255501,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.255501.

Das FZD im Überblick
Das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) hat das Ziel, strategisch und langfristig ausgerichtete Spitzenforschung in politisch und gesellschaftlich relevanten Forschungsthemen wie Energie, Gesundheit, Struktur der Materie und Schlüsseltechnologien zu leisten. Folgende Fragestellungen stehen dabei im Mittelpunkt:
- Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
- Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?
- Wie schützt man Mensch und Umwelt vor technischen Risiken?
Diese Fragestellungen werden in strategischen Kooperationen mit Forschungs- und Industriepartnern bearbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Betrieb von sechs einmaligen Großgeräten, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das FZD wird als Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft von Bund und Land gefördert, verfügt über ein Gesamtbudget von mehr als 80 Mio. Euro (2009) und beschäftigt rund 800 Personen. Anfang 2011 wird das FZD in die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren wechseln.

Links:
http://www.fzd.de



[Nacht, 19.02.2010]


 


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