13.04.2022
Innovative Nanomaterialien sollem Leistungsfähigkeit von Halbleitern verbessern
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erforscht in drei EU-Verbundprojekten neue Nanomaterialien für die Halbleitertechnik. Ziel ist es, die Eigenschaften der Materialien exakt zu bestimmen und damit die Leistungsqualität von Mikrochips deutlich zu verbessern.
Die Mikro- und Nanoelektronik ist eine Schlüsseltechnologie und kommt in vielen Bereichen zum Einsatz - von Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Smartphones und Computern bis zur Medizintechnik. Mit der zunehmenden Miniaturisierung der Chips rücken Nanomaterialien und sogenannte dünne Schichten stärker in den Fokus der herstellenden Unternehmen.
Doch fehlen bislang geeignete Messmethoden, um die Qualität dieser Materialien zuverlässig zu ermitteln und damit bleiben viele ihrer Potenziale ungenutzt.
Hier setzt die Forschung der BAM an. "Wir betreiben eines der führenden europäischen Forschungslabore für spektroskopische und optische Verfahren im Nanobereich", so Andreas Hertwig, Leiter der drei Projekte an der BAM. "Das Besondere ist, das wir verschiedene Imaging-Methoden miteinander kombinieren, um Nanomaterialien genau zu charakterisieren. So können wir z.B. elektronische und optische Eigenschaften oder das Verhalten der Materialien unter extremen Bedingungen messen."
Im Projekt PowerElec werden Verbindungshalbleiter mit breiter Bandlücke, sogenannte "Wide Bandgap" untersucht. Sie liefern geringere Energieverluste bei höherer Leistung. Elektronische Geräte, die diese neuen Materialien verwenden, haben einen geringeren Energieverbrauch und können gleichzeitig kleiner und leichter gebaut werden als bisher. Das ist z.B. für die E-Mobilität und die Einspeisung erneuerbarer Energien ins Stromnetz von Bedeutung. Die Vorteile dieser Materialien können jedoch aufgrund ihrer Defektanfälligkeit aktuell nicht ausgeschöpft werden. Ziel des PowerElec-Projekts ist es, Messtechniken zu entwickeln, die mögliche Defekte bereits bei der Produktion erkennen lassen.
Neue Technologien wie autonomes Fahren und Virtual Reality sind auf schnelle Mikrochips angewiesen. Innovative Verfahren mit extrem ultraviolettem Licht (EUV) oder dünne Schichten, sogenannte "Thinfilms", sollen leistungsfähigere, energieeffizientere und kostengünstigere Chips ermöglichen. Jedoch sind deren optische Eigenschaften meist schwer zu messen und daher oft nicht exakt bekannt. Das Projekt ATMOC will mittels spektroskopischer Verfahren Nanobeschichtungen optisch charakterisieren und für sie rückverfolgbare Messverfahren entwickeln. Die BAM wird dafür Messmethoden mit hoher Ortsauflösung und breitem Spektralbereich kombinieren.
Schließlich spielt auch die elektrische Leitfähigkeit in der Chiptechnologie eine entscheidende Rolle - je höher sie ist, desto leistungsfähiger und energieeffizienter ist ein Gerät. Im Projekt ELENA stehen neue Nanomaterialien und Prozesse im Fokus, die die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern steigern. Die wichtigsten dieser Eigenschaften sind die Leitfähigkeit und die Permittivität bzw. Durchlässigkeit für elektrische Felder.
Eine zuverlässige Charakterisierung dieser Eigenschaften im Nanobereich ist bislang jedoch kostspielig, komplex und oft unzuverlässig, da die Messungen mit verschiedenen Instrumenten durchgeführt werden. Das Projekt zielt darauf ab, solche Messungen erstmals rückverfolgbar zu machen. Dafür will das Team kostengünstige Rastersondenmikroskopie-Instrumente und Referenzstandards sowie robuste Kalibrierungsmethoden und Leitfäden für die wissenschaftliche Praxis entwickeln.
Die drei Forschungsprojekte werden im Rahmen des Europäischen Metrologieprogramms für Innovation und Forschung (EMPIR) von der Europäischen Union mit Mitteln aus dem Programm Horizont 2020 für Forschung und Innovation gefördert.
Quelle: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)