Genial zweidimensional: Effizientes Dotieren der Halbleiter von morgen

Elektronik der Zukunft ist ohne zweidimensionale Materialien undenkbar. Sie sind die Hoffnung für leistungsfähige und energieeffiziente Elektronikbauteile. Gleichzeitig erschweren aber die einzigartigen Eigenschaften der zweidimensionalen Materialien ihre Dotierung mit Fremdatomen. Dieser Schritt ist notwendig, um die elektrische Leitfähigkeit präzise einzustellen und das Material in einen p- oder n-Typ-Halbleiter zu verwandeln. An dieser Stelle ist einem Team um Slawomir Prucnal (HZDR) mit Hilfe der Forschungsgruppe von Arkady Krasheninnikov (HZDR) und Dietrich Zahn (TU Chemnitz) nun ein Durchbruch gelungen, wie die Wissenschaftler*innen in der Fachzeitschrift Nanoscale berichten.

Herkömmliche Halbleiter, wie sie in heutigen Heimcomputern, Mobiltelefonen oder Industrierechnern stecken, basieren auf Silizium. Die Technologie dahinter ist bestens erforscht, die Produktionsprozesse sind optimiert. Doch um den immer größer werdenden Leistungshunger moderner Elektronik zu stillen, stößt Silizium an seine Grenzen. Alternativen müssen her. Diese bieten sich in Form ultradünner, zweidimensionaler Materialien. Das bekannteste ist wohl Graphen. Mittlerweile gibt es aber noch viele weitere, zum Beispiel aus der Materialklasse der sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogenide. Sie alle haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind nur wenige Atomlagen dick. Bei dem von Slawomir Prucnal untersuchten Molybdändiselenid sind das zum Beispiel genau drei, die zusammen hunderttausendmal dünner sind als ein menschliches Haar.

„Damit Materialien wie Silizium oder eben die neuen 2D-Materialien als elektronische Komponenten funktionieren, müssen wir ihre inneren Eigenschaften verändern“, erklärt Slawomir Prucnal, der am HZDR in der Abteilung Halbleitermaterialien des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung arbeitet. „Dazu schleusen wir einige fremde Atome in das regelmäßige Kristallgitter ein. Das nennen wir dotieren.“ Bei der industriellen Fertigung von Siliziumchips geschieht das durch Ionenimplantation. Dazu wird ein Strahl geladener Teilchen auf das Material gerichtet, von denen einige im Kristallgitter eingebaut werden. „Bei zweidimensionalen Materialien ist das schwierig“, sagt Slawomir Prucnal. „Denn die Ionen aus dem Strahl müssen genau in den wenigen Atomlagen stoppen, aus der das Material besteht.“

Deshalb haben er und sein Team am HZDR die neuen Werkstoffe mit einer speziellen Deckschicht versehen. Der Aufbau dieser Schicht gibt den Wissenschaftler*innen die Möglichkeit, den Prozess der Dotierung sehr genau zu steuern. „Jetzt können wir die Fremdatome aus dem Ionenstrahl präzise ins Kristallgitter des 2D-Materials transportieren, sodass sie dort eingebaut werden.“ Das hat einen entscheidenden Vorteil: Dank der Deckschicht lassen sich die neuen Materialien mit den gleichen Produktionsanlagen bearbeiten, die für heutige Siliziumchips im Einsatz sind.

Nachdem Slawomir Prucnal und seine Forschungsgruppe nachgewiesen haben, dass ihr Konzept mit Molybdändiselenid – einem Material aus der Klasse der Übergangsmetall-Dichalkogenide – und einer Dotierung mit Chlorionen funktioniert, prüfen sie aktuell weitere 2D-Materialien. Im nächsten Schritt wollen sie ihre Methode verwenden, um einen voll funktionsfähigen elektronischen Schaltkreis herzustellen.

Publikation:
S. Prucnal, A. Hashemi, M. Ghorbani-Asl, R. Hübner, J. Duan, Y. Wei, D. Sharma, D. R. T. Zahn, R. Ziegenrücker, U. Kentsch, A. V. Krasheninnikov, M. Helm, S. Zhou, Chlorine doping of MoSe2 flakes by ion implantation, in Nanoscale, 2021 (https://doi.org/10.1039/D0NR08935D)

Weitere Informationen:
Dr. Slawomir Prucnal, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: +49 351 260 2065 I E-Mail: s.prucnal@hzdr.de

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Dr. Slawomir Prucnal, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
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Originalpublikation:

S. Prucnal, A. Hashemi, M. Ghorbani-Asl, R. Hübner, J. Duan, Y. Wei, D. Sharma, D. R. T. Zahn, R. Ziegenrücker, U. Kentsch, A. V. Krasheninnikov, M. Helm, S. Zhou, Chlorine doping of MoSe2 flakes by ion implantation, in Nanoscale, 2021 (https://doi.org/10.1039/D0NR08935D)

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