Schweizer Forscher weisen Silizium-Alternative nach

Molybdänit: Transistor der Zukunft?

Forscher an der EPFL, École polytechnique fédérale de Lausanne, haben nachgewiesen, dass man mit Molybdänit nicht nur sehr kleine und Strom sparende Transistoren bauen kann, sondern wahrscheinlich auch Infrarot-LEDs und Solarzellen.

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Halbleiter der Zukunft? Ein Molybdänit-Kristall (MoS2)

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Halbleiter der Zukunft? Ein Molybdänit-Kristall (MoS2)

MoS₂ heißt nicht etwa »Metall-Oxid-Silizium 2«, sondern es handelt sich bei diesem Kürzel um Molybdänit, eine kristalline Verbindung aus Molybdän und Schwefel. Dass diese Verbindung Halbleitereigenschaften hat, wussten viele Physiker schon lange. Und Molybdänit kommt auch schon lange industriell zum Einsatz, etwa in Stahllegierungen oder als Zusatz in Schmiermitteln.

Also eigentlich nichts Neues. Jedoch hat sich mit einer Anwendung dieses Halbleitermaterials in der Elektronik bisher kaum jemand befasst. Dabei weist MoS₂ einige Eigenschaften auf, die denen von Silizium weit überlegen sind: Zum einen ist Stromfluss bereits in quasi-zweidimensionalen Schichten möglich, die nur 0,65 nm dünn sind (man muss etwa 100.000 solche Schichten aufeinander stapeln, um die Dicke eines Menschenhaares zu erreichen). Siliziumkristalle hingegen breiten sich auch in der dritten Dimension aus und benötigen eine Schichtdicke von 2 nm oder mehr, um elektrischen Strom leiten zu können. Mit MoS₂ sind also (zumindest theoretisch) weitaus kleinere Strukturen möglich.

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Andras Kis, EFPL: » Der größte Vorteil von Molybdenit-Transistoren ist, dass der Leckstrom gegen Null geht. Bei Zimmertemperatur beträgt er nur rund 25 fA/µm.«

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Andras Kis, EFPL: » Der größte Vorteil von Molybdenit-Transistoren ist, dass der Leckstrom gegen Null geht. Bei Zimmertemperatur beträgt er nur rund 25 fA/µm.«

Hinzu kommt, dass der Bandabstand von Molybdänit mit 1,8 eV mehr als 50 Prozent höher ist als von Silizium (1,17 eV) und auch höher als von GaAs (1,515 eV). Das hat diverse Vorteile. EPFL-Professor Andras Kis, der an der Studie mitgearbeitet hat, sagt dazu: »Der größte Vorteil von Molybdänit-Transistoren ist, dass der Leckstrom gegen Null geht. Bei Zimmertemperatur beträgt er nur rund 25 fA/µm. Das bedeutet, dass die Energie-Aufnahme eines ausgeschalteten MoS2-Transistors ungefähr 100.000 Mal geringer wäre als die eines Si-Transistors! Das Verhältnis der Stromstärken für die Zustände Ein und Aus würde somit bei ungefähr 100 Millionen liegen.«

Für Silizium-Transistoren wäre das unvorstellbar. Ein weiterer, angesichts steigender Rohstoffkosten, nicht zu unterschätzender Vorteil ist: Molybdänit kommt - genauso wie Silizium, jedoch im Gegensatz etwa zu Gallium - in völlig ausreichenden Konzentrationen in der Erdkruste vor. Auch haben Halbleiterdesigner dank der höheren Bandspannung mehr technische Möglichkeiten: Es lassen sich nicht nur extrem Strom sparende und kleine Transistoren bauen, sondern man kann das Material auch als Halbleiter für Solarzellen und sogar Infrarot-LEDs verwenden.

1. Teil: Molybdänit: Transistor der Zukunft?
2. Teil: Molybdänit hat das Zeug zum Alleskönner