Die atomare Lücke, die der Halbleiterindustrie Milliarden kosten könnte

Das Problem liegt nicht nur am Material selbst. Es liegt auch daran, wie es mit anderen Komponenten interagiert.

Wenn ein 2D-Material mit einer isolierenden Schicht kombiniert wird, bildet sich dazwischen eine winzige Lücke, die die Leistung erheblich reduziert. Die Identifizierung, die dieses Problem vermeiden, könnte der Halbleiterindustrie helfen, kostspielige Sackgassen zu umgehen.

Es ist nicht nur das Material – es ist die Schnittstelle. „Seit vielen Jahren fasziniert Forscher zu Recht die bemerkenswerten elektronischen Eigenschaften neuartiger 2D-Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid“, sagt Prof.

Mahdi Pourfath, der die Forschung zusammen

Mahdi Pourfath, der die Forschung zusammen mit Prof. Tibor Grasser am Institute for Microelectronics der TU Wien durchführte.

„Was jedoch oft übersehen wird, ist, dass ein 2D-Material allein kein elektronisches Bauteil darstellt. Wir benötigen auch eine isolierende Schicht – normalerweise ein Oxid.

Und hier wird es aus Sicht der Materialwissenschaft komplizierter.“ Im Kern funktionieren Transistoren, indem sie einen Halbleiter zwischen leitendem und nicht leitendem Zustand schalten. In diesem Fall kann der Halbleiter ein 2D-Material sein.

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Eine Gate-Elektrode steuert diesen Schalter, muss aber durch eine isolierende Schicht vom Material getrennt sein. Achtung, der Spalt!

Um eine präzise Steuerung zu erreichen und extrem kompakte Geräte zu ermöglichen, muss diese Isolierschicht so dünn wie möglich sein. Allerdings zeigt eine Analyse auf atomarer Ebene ein Problem, das oft übersehen wird.

„In vielen Kombinationen von 2D-Materialien und Isolierschichten ist die Bindung zwischen ihnen relativ schwach“, erklärt Grasser. „Sie werden nur durch sogenannte van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, die nur eine schwache Anziehung zwischen dem Halbleiter und dem Isolator bieten.

Infolgedessen kommen die beiden Schichten nicht

Infolgedessen kommen die beiden Schichten nicht in engen Kontakt – es gibt immer einen Spalt zwischen ihnen.“ Dieser Spalt ist unglaublich klein, etwa 0,14 Nanometer (0,0000000055 Zoll), dünner als ein einzelnes Schwefelatom, hat aber einen großen Einfluss auf die Leistung. Zum Vergleich ist ein SARS-CoV-2-Virus etwa 700 Mal größer.

„Dieser Spalt schwächt die kapazitive Kopplung zwischen den Schichten.

Egal wie gut die intrinsischen Eigenschaften der Materialien sein mögen, der Spalt kann zum limitierenden Faktor werden.“ Solange es existiert, stellt es eine fundamentale Grenze dafür dar, wie weit diese Geräte miniaturisiert werden können.“ Die Lösung: „Reißverschluss“-Materialien „Wenn die Halbleiterindustrie mit 2D-Materialien erfolgreich sein will, müssen die aktive Schicht und die Isolierschicht werden“, betont Mahdi Pourfath.

Technik, Energie und Einsatz

Eine mögliche Lösung ist die Verwendung von „Reißverschluss“-Materialien, bei denen sich der Halbleiter und der Isolator ineinandergreifen. Anstatt locker durch van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten zu werden, bilden sie eine stärkere Bindung, die die Lücke beseitigt.

„Unsere Arbeit ist eine gute Nachricht für die Halbleiterindustrie“, sagt Tibor Grasser.

„Wir können vorhersagen, welche Materialien für zukünftige Miniaturisierungsschritte geeignet sind – und welche nicht.“ Aber wenn man sich nur auf die 2D-Materialien selbst konzentriert, ohne isolierenden Schichten zu berücksichtigen, besteht das Risiko, Milliarden in einen Ansatz zu investieren, der aus fundamentalen physikalischen Gründen schlichtweg nicht erfolgreich sein kann." Reference: "Device-scaling constraints imposed gap formed in two-dimensional materials" Grasser, 16 April 2026, Science.