Fehlendes Atom: Siliziumkarbid besser als Diamant

Speziell manipulierte Siliziumkarbid-Kristalle sollen bessere elektronische Eigenschaften als Diamant aufweisen. Das macht sie interessant für den Bau leistungsfähiger Computer oder für die Datenübertragung. Die Kristalle bestehen aus einem regelmäßigen Gitter, aufgebaut aus Silizium- und Kohlenstoff-Atomen. Die Halbleiter finden heutzutage vielfach in der Mikro- und Optoelektronik Verwendung. Physikern der Universität Würzburg ist es jetzt gemeinsam mit Kollegen aus St. Petersburg gelungen, Siliziumkarbid so zu manipulieren, dass sich das Material unter anderem für den Einsatz in Quanten-Computern anbietet.

"Wir haben ein Siliziumatom aus dem Kristallgitter entfernt und somit eine Silizium-Fehlstelle erzeugt", erklärt Georgy Astakhov die Vorgehensweise der Physiker. Astakhov ist wissenschaftlicher Assistent am Lehrstuhl für Experimentelle Physik VI der Universität Würzburg.

Zur Überraschung der Forscher gibt diese Fehlstelle dem Material interessante neue Eigenschaften. Damit der Halbleiter Licht emittiert, müssen seine Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht werden, beispielsweise durch die Zufuhr von sehr energiereichem Licht. Die Silizium-Fehlstelle sorgt nun dafür, dass zusätzliche Energieniveaus in der so genannten Bandlücke entstehen, ohne, dass die bisher notwendige hohe Energiemenge zugeführt wird.

Diese neue Art von Siliziumkarbid strahlt nun kein ultraviolettes, sondern infrarotes Licht ab, wenn die Elektronen von dem hohen Energieniveau auf das niedrigere zurückfallen. Licht, das sich nach Astakhovs Worten besser dafür eignet, Informationen in einer Glasfaser zu übertragen.

Besonders interessant ist das modifizierte Siliziumkarbid aber auch für den Einsatz als Halbleiter und Speichermedium in neuartigen Quanten-Computern. "Transistoren sind seit ihrer Erfindung von mehreren zehn Mikrometern auf ungefähr zehn Nanometer geschrumpft - also auf etwa ein Tausendstel ihrer anfänglichen Größe", sagte Astakhov. Schreitet die Miniaturisierung in diesem Tempo fort, müssten Transistoren in einem Jahrzehnt aus einem einzelnen Atom bestehen. In dieser Größenordnung gelten dann allerdings andere physikalische Gesetze, nämlich die der Quantenmechanik.

"Auf diesem Forschungsgebiet haben zuletzt die Farbzentren in Diamant große Aufmerksamkeit gewonnen, die ähnliche Defekte aufweisen wie unser Siliziumkarbid", erklärte der Forscher. Allerdings ist Diamant ein Material, dessen Herstellungstechnologie längst nicht so gut entwickelt ist wie für Silizium-Halbleiter. "Deshalb läuft jetzt weltweit eine Suche nach Quantensystemen, welche die Vorteile von Diamant und Silizium in einem Material vereinigen", so Astakhov. Siliziumkarbid mit einer Fehlstelle bietet sich dafür nach Einschätzung der Würzburger Physiker an.