Halbleitende Schichtmaterialien aus Phosphor und Arsen als Alternative zu Silizium

Mit dem Nobelpreis 2010 wurde Graphen, das nur eine Atomlage dicke Kohlenstoff-Netzwerk, über Nacht berühmt. Doch es gibt längst Konkurrenz. Auch aus Phosphor kann man solche Schichten herstellen. Chemiker der Technischen Universität München (TUM) und der Universität Regensburg entwickelten nun ein Halbleiter-Material, bei dem einzelne Phosphor-Atome durch Arsen ersetzt sind. Im Rahmen einer internationalen Kooperation bauten sie daraus zusammen mit amerikanischen Kollegen erstmals Feldeffekt-Transistoren.

Seit vielen Jahrzehnten ist Silizium die Basis der modernen Elektronik. Bisher konnte die Silizium-Technik für immer kleinere Geräte immer kleinere Transistoren herstellen, doch die Größe von Silizium-Transistoren stößt langsam an ihre physikalische Grenze. Silizium ist zudem hart und spröde, doch die Konsumenten hätten gerne flexible Geräte – Geräte, die sich in Kleidung einarbeiten lassen und vieles mehr. All dies hat einen Wettlauf um neue Materialien ausgelöst, die Silizium eines Tages ersetzen könnten.

Ein solches Material könnte Arsen enthaltender schwarzer Phosphor sein. Wie das Graphen, das aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht, bildet es dünnste Schichten. Die Bandbreite seiner Anwendungen reicht von Transitoren über Sensoren bis hin zu mechanisch-flexiblen Halbleiter-Bauteilen. Anders als beim Graphen, dessen elektronisches Verhalten dem von Metallen ähnelt, verhält es sich wie ein Halbleiter.

Phosphoren statt Graphen
In einer Kooperation der Technischen Universität München und der Universität Regensburg auf deutscher Seite sowie den amerikanischen Universitäten University of Southern California (USC) und Yale wurden nun erstmals Feldeffekt-Transistoren aus Arsen enthaltendem schwarzem Phosphor hergestellt. Die Verbindungen synthetisierte Marianne Köpf im Labor des Fachgebiets für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien an der TU München. Feldeffekt-Trasistoren wurden in der Gruppe um Prof. Zhou und Dr. Liu gebaut und vermessen. Die Regensburger Gruppe von PD Dr. Richard Weihrich vom Institut für Anorganische Chemie führte quantenchemische Rechnungen zu den Verbindungen durch. Sie zeigen, dass die Verbindungen je nach Arsen-Gehalt unterschiedliche Bandlücken aufweisen und sich damit dazu eignen, bestimmte Eigenschaften gezielt einzustellen.

Detektoren für Infrarot
Bei einem Arsengehalt von 83 Prozent hat das neue Material eine Bandlücke von nur noch 0,15 Elektronenvolt. Aus einem solchen Material können Sensoren aufgebaut werden, die Wellenlängen im langwelligen Infrarot detektieren. In diesem Bereich arbeiten beispielsweise LiDAR-Sensoren (Light Detection and Ranging). Sie werden unter anderem in Autos als Abstandssensoren eingesetzt. Eine andere Anwendung ist die Messung von Staubteilchen und Spurengasen in der Umweltmesstechnik.

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Kristalle aus halbleitendem schwarzem Arsen-Phosphor. Foto: Andreas Battenberg / TU München