Chip-Entwicklung Ist das Ende von Silizium nahe?

Silizium-Chips klingen immer noch nach Hightech. Dabei ist ihr Ende von der Physik quasi vorprogrammiert. 

Silizium ist der elementare Baustein des digitalen Zeitalters. Nicht ohne Grund wurde nach ihm ein ganzer Landstrich in Kalifornien benannt, in dem die wichtigsten Tech-Firmen angesiedelt sind. Doch das «Silicon Valley» könnte schon bald einen neuen Namen gebrauchen. Denn früher oder später wird die Zeit des Siliziums wohl ein Ende finden.

Als Halbleiter ist Silizium das nach gegenwärtiger Technik beste Element für Transistoren, die, milliardenfach zusammengepackt, einen modernen Chip ausmachen. Will man Chips schneller machen, macht man die Transistoren kleiner, damit mehr von ihnen an einen Platz passen. Das in etwa war der Kern des technischen Fortschritts der letzten Jahrzehnte.

Silizium lässt sich nicht mehr weiter verkleinern

Doch langsam, aber sicher kommt man an die physikalischen Grenzen von Silizium-Transistoren. Hier könnten dann sogenannte 2D-Materialien eine Alternative darstellen. Diese heissen so, weil sie nur so dick wie ein Atom sind und quasi eine zweidimensionale Form darstellen. Dünner geht es also wirklich nicht.

Das berühmteste 2D-Material ist wohl Graphen, eine Modifikation von Kohlenstoff, wobei die Atome in einen bienenwabenförmigen Muster miteinander verbunden sind. Erst 2004 wurden Graphen erstmals hergestellt, seine Erschaffer bekamen dafür den Physik-Nobelpreis.

Die Mischung macht's

Das Problem an Graphen ist, das es von sich aus keine Halbleiterfähigkeiten hat und damit als Transistor eigentlich ungeeignet ist. Die Lösung könnte darin bestehen, Graphen mit einem weiteren, vielversprechenden 2D-Material zu kombinieren, Molybdän(IV)-sulfid oder MoS2, eine Verbindung aus Schwefel und dem Übergangsmetall Molybdän. 

MoS2 für sich alleine wird schon als potenzieller Silizium-Ersatz gesehen, weil es Halbleiterfähigkeit und Zweidimensionalität in einem bietet. In Kombination mit Graphen könnte es aber besonders geeignet für den Einsatz als Transistor sein.

Schneller und stromsparender

Forscher der University of Buffalo haben einen Transistor gebaut, der aus einer Schicht Graphen und einer Schicht MoS2 besteht. Gemeinsam haben sie eine Dicke von einem Nanometer — die besten aktuellen Silizium-Transistoren sind fünf Nanometer dick. Die Kombination braucht zudem nur halb so viel Spannung wie konventionelle Transistoren. Gleichzeitig kann die elektrische Stromdichte grösser sein. Das erlaubt ein schnelleres Umschalten des Transistors bei geringerem Stromverbrauch.

Die Massenproduktion einer echten Silizium-Alternative wird wohl trotzdem noch etwas dauern, vermutlich Jahrzehnte. Chip-Hersteller bereiten derzeit schon noch die Produktion des Drei-Nanometer-Transistors aus Silizium vor, Marktführer TSMC will damit Ende 2022 beginnen. Bald danach wird es allerdings nach einhelliger Meinung eng fürs Silizium. Den Gesetzen der Physik kann sich niemand entziehen. 

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