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Prof. Tibor Grasser sucht nach dem perfekten Match zwischen zweidimensionalem Halbleiter und Isolator. Dafür erhält er nun einen ERC Advanced Grant.
Die ERC Advanced Grants des European Research Council (ERC) gelten als die prestigeträchtigsten und höchstdotierten Förderungen der europäischen Forschungslandschaft. Bei der diesjährigen Vergaberunde gingen zwei dieser Grants an die TU Wien – Einen davon erhielt Prof. Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik. Der ERC Advanced Grant ist mit 2,5 Millionen Euro dotiert. Ebenfalls einen ERC Advanced Grant erhielt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik.
In seinem Projekt „F2GO – Fluoride für die 2D-Nanoelektronik der nächsten Generation“ befasst sich Grasser primär mit Fluoriden, unter anderem Kalziumfluorid, als ultradünne Isolatoren. Diese sollen herkömmlichen Isolatoren aus 3D-Materialien wie zum Beispiel Siliziumdioxid überlegen sein, da diese eine weniger reaktive Oberfläche haben und ausschließlich über Van-der-Waals-Kräfte an den Halbleiter binden. Einsatz finden immer dünner werdende Halbleiter und Isolatoren in Transistoren.
Dünn, dünner, zweidimensional
Die Mikroelektronik hat in den 1950er und 1960er Jahren erste Transistoren hervorgebracht, die nur einige Mikrometer groß waren. Seitdem sind die Bauelemente immer kleiner, schneller und günstiger geworden. Aus Mikroelektronik wird schließlich Nanoelektronik, die Bauelemente lassen sich bis zu atomaren Dimensionen schrumpfen. „Im Labor können wir bereits Transistoren mit einer Größe von einem Nanometer bauen“, berichtet Tibor Grasser, Vorstand des Instituts für Mikroelektronik. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung ergeben sich allerdings ganz neue Probleme wie die Materialalterung, die vor allem an der Grenzfläche zwischen den einzelnen Bestandteilen – Halbleiter und Isolator – auftreten. Um elektronische Bauelemente wie Transistoren noch weiter zu miniaturisieren, liegt große Hoffnung auf 2D-Materialien.
„Während sich die Halbleiterindustrie schnell weiterentwickelt hat, wurde den Isolatoren weniger Beachtung geschenkt“, beobachtet Grasser kritisch. Allerdings müssen Halbleiter und Isolator stets gemeinsam gedacht werden, denn passen die beiden Materialien nicht zusammen, werden Elektronen abgelenkt und sogar eingefangen, der Isolator altert und das Material geht kaputt. Silizium und Siliziumdioxid sind dafür ein gutes Beispiel. „Sie sind ein super Team. Möchte man den Isolator, das Siliziumdioxid, jedoch verschlanken, kommt es auch hier zu Problemen“, sagt Tibor Grasser.
„Konventionelle Materialien haben starke kovalente Bindungen in die dritte Dimension – also Atome, die oben und unten an Atome des Nachbarmaterials koppeln“, erklärt Tibor Grasser. „Das ist bei 2D-Materialien und ionischen Kristallen wie Kalziumfluorid nicht der Fall, weshalb sie die elektrischen Eigenschaften des Nachbarmaterials nicht so stark stören.“ Dadurch, dass Kalziumfluorid nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte an den Halbleiter bindet, ist die Hoffnung groß, dass sich der Isolator mit vielen Halbleitern kombinieren lässt.
Fluoride als Hoffnungsträger
Tibor Grasser und seine Forschungsgruppe befassen sich bereits seit mehr als 15 Jahren mit Isolatoren, seit einigen Jahren forscht das Team zudem an dem ultradünnen Isolator Kalziumfluorid für 2D-Materialien. Ihre initialen Studienergebnisse zum Thema Kalziumfluorid/2D-Materialien veröffentlichten die Forschenden in den Fachzeitschriften „Nature Electronics“ und „Nature Communications“. Der bereits 2019 beschriebene Prototyp eines Transistors mit Kalziumfluorid-Isolator „stellt mit seinen elektrischen Eigenschaften alle bisherigen Ergebnisse in den Schatten“, erklärt Tibor Grasser. „Das besondere an Kalziumfluorid ist, dass die Grenzfläche ausschließlich aus Fluoratomen besteht. Es gibt folglich idealerweise keine Defekte oder Ladungen, wodurch der Elektronentransport im Halbleiter ungestört erfolgen kann.“ Man kann sich das wie mit einem Ferrari vorstellen, der nur auf guten Straßen hohe Geschwindigkeiten erreicht.
Im Verlauf des Projekts werden Grasser und sein Team neben Kalziumfluorid weitere Fluoridverbindungen untersuchen, beispielsweise mit Magnesium. Damit die 2D-Isolatoren schließlich auch einen passenden Halbleiter finden, werden Grasser und sein Team passende Kandidaten vorsortieren und anschließend experimentell testen.
Tibor Grasser
Tibor Grasser stammt aus Wien und ist bereits seit seinem Studium der Elektrotechnik eng mit der TU Wien verbunden. Nach Abschluss seines Diplomstudiums promovierte er 1999 an der TU Wien, gefolgt von der Habilitation 2002. Seit 2011 ist Tibor Grasser zudem als Distinguished Lecturer der IEEE Electron Devices Society tätig, seit 2016 ist er IEEE Fellow. Zudem ist er seit 2016 Vorstand des TU Wien-Instituts für Mikroelektronik.
Prof. Tibor Grasser
Institut für Mikroelektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36000
tibor.grasser@tuwien.ac.at
Tibor Grasser
Klaus Prokop
Criteria of this press release:
Journalists, all interested persons
Electrical engineering
transregional, national
Research projects
German
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