Zurück in die Zukunft

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Viele halten Graphen für das nächste elektronische Wundermaterial. Doch vielleicht kommt der Rohstoff der Zukunft aus der Vergangenheit. Forscher versuchen derzeit das in vielerlei Hinsicht bessere Germanium für industrielle „Silizium-Methoden“ fit zu machen.

Das Grundmaterial der ersten Transistoren war Germanium, bevor es Ende der 1960er Jahre von Silizium abgelöst wurde. Dessen Vorteile verschwinden allerdings mit zunehmender Verkleinerung, was weltweit Forscher dazu veranlasst, Germanium wieder aus dem Museum zu holen.

Vor 125 Jahren von Clemens Winkler aus dem Freiberger Bergbaurevier entdeckt, soll es zu den Top 5 derjenigen Rohstoffe gehören, die in den nächsten Jahrzehnten die größte Nachfrage-Steigerung erfahren werden. In der Natur weitverbreitet kommt es jedoch deutlich weniger häufig als Silizium vor. Deshalb versuchen Projekte wie etwa „PhytoGerm“ an der TU Freiberg das begehrte Material aus Biomasse zu gewinnen.

Schneller und kleiner mit Germanium

Mit Germanium als Halbleiter könnte man höhere Schaltgeschwindigkeiten und kleinere Bauteile als mit Silizium erreichen. Dabei lässt es sich gut in existierende technologische Abläufe integrieren. So weit die Theorie. In der Praxis scheiterte der Einsatz bislang, weil die Dotierung Probleme bereitet. Schon 2010 zeigten jedoch Physiker aus dem Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD), dass es möglich ist, auf Germanium-Basis n-Kanal-Transistoren (NMOS) herzustellen, deren Abmessungen dem fortgeschrittensten Integrationsgrad entsprechen.

Forscher der Ohio State University hatten 2013 als erste quasi zweidimensionale Germaniumschichten hergestellt mit der Dicke einer Atomlage. Seitdem wurde versucht, durch Veränderung der elektronischen Struktur des Materials die Absorptionsenergie zu erhöhen und zu vermindern. Ziel war ein Werkstoff, der das gesamte elektromagnetische Spektrum überträgt oder bestimmte Farben absorbiert. Das macht das Material besonders interessant in der LED- und Laser-Technologie.

Mit der Kreation verschiedenster Formen von Germanium versuchen die Entwickler nun, traditionelle industrielle „Silizium-Methoden“ auch für Germanium zu erschließen. Mit einer Zinnversion des Materials etwa ließe sich elektrischer Strom bei Zimmertemperatur absolut verlustfrei übertragen. Das schwerere Zinnatom verwandelt den Werkstoff in einen zweidimensionalen Isolator, der elektrischen Strom nur an seinen Kanten überträgt.

Germanium

Germanium ist in der Natur ähnlich weit verbreitet wie Silizium, jedoch mit einer deutlich geringeren Häufigkeit (ca. 1 Atom Germanium pro 10.000 Atome Silizium). (Bild: Wikipedia Saperaud)