Elektronikmaterial der nächsten Generation? Forscher haben Silizium in eine neue Kristallstruktur gebracht. Statt der üblichen kubischen Struktur sind die Atome im neuen 4H-Silizium in vier hexagonalen Schichten angeordnet. Dies verleiht dem Halbleitermaterial verbesserte optoelektronische Eigenschaften, die neue technische Anwendungen ermöglichen. Neu ist zudem, dass sich diese Siliziumstruktur nicht nur in dünnen Schichten, sondern in großen Kristallen erzeugen lässt.
Ohne Silizium geht in der modernen Elektronik kaum etwas: Der kristalline Halbleiter steckt in Computerchips, Sensoren und anderen Elektronikbauteilen und bildet die Basis für die meisten Solarzellen. Durch Dotierung seines Kristallgitters mit Fremdatomen lassen sich die elektronischen Eigenschaften des Siliziums zudem maßgeschneidert anpassen und optimieren.
Allerdings hat dies Grenzen, die durch die kubische Kristallstruktur des Siliziums vorgegeben sind: In ihr sind das Leitungs- und Valenzband des Halbleiters gegeneinander versetzt und bilden eine indirekte Bandlücke. Dadurch ist Silizium ein ineffektiver Lichtemitter und kann beispielsweise nicht als Laser genutzt werden – was für photonische Chips wichtig wäre. Zwar gibt es bereits Versuche, Silizium mit hexagonaler Struktur herzustellen. Bislang war dies aber nur durch Aufdampfen in dünnen Schichten möglich.
Siliziumatome in sechseckigen Stapeln
Jetzt ist es einem Team um Thomas Shiell von der Carnegie Institution in Washington DC erstmals gelungen, größere dreidimensionale Kristalle aus hexagonalem Silizium zu züchten. Ausgangspunkt dafür war ein erst vor wenigen Jahren entdecktes Allotrop – eine Strukturvariante des Siliziums, in der sich Ringe aus fünf, sechs oder acht Siliziumatomen abwechseln. Shiell und seine Kollegen haben nun entdeckt, dass sich dieses Si24-Allotrop durch Erhitzen und mehrere weitere Schritte in hexagonales Silizium umwandeln lässt.
Das Ergebnis sind hochgradig geordnete Kristalle, in denen die Siliziumatome in sechseckigen Stapeln angeordnet sind. „Unser metastabiler Umwandlungsweg eröffnet eine neue Route, um massive 4H-Siliziumkristalle zu erzeugen – anders als bisherigen Transformationswege, die nur nanokristalline, ungeordnete Materialien ergaben“, berichten die Forscher.
Neue Anwendungsmöglichkeiten
Die Erzeugung von kompakten hexagonalen Siliziumkristalle eröffnet nun neue Möglichkeiten der Anwendung. „Das Interesse an hexagonalem Silizium reicht schon bis in die 1960er Jahre zurück, weil es steuerbare elektronische Eigenschaften aufweist, die weit bessere Leistungen als die kubische Form ermöglichen“, erklärt Shiells Kollege Timothy Strobel. So ist hexagonales Silizium ein effektiverer Lichtemitter als die normale Form und könnte daher auch für Siliziumlaser verwendet werden.
„Die Entdeckung der kompakten 4H-Siliziumkristalle öffnet uns die Tür zu spannenden Forschungsansätzen, mit denen wir die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials kontrollieren können“, sagt Shiell. „Wir können unsere Methode nutzen, um aus Kristallkeimen große Volumen der 4H-Struktur zu züchten, deren Merkmale die des klassischen kubischen Siliziums übertreffen.“ (Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103/PhysRevLett.126.215701)
Quelle: Carnegie Institution for Science
