Verschiedene Halbleiter in einem Chip vereint

Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es gelungen Halbleitermaterialien, mit sich ergänzenden Eigenschaften, in einem Mikrochip zu vereinen. Dies könnte eine neue Möglichkeit zur Überwindung physikalischer Barrieren bei der weiteren Verkleinerung von Mikrochips auf Siliziumbasis aufzeigen.

Zwar böten einige Halbleitermaterialien eine bessere Leistung als Silizium, in puncto Integration und Skalierbarkeit könnten sie jedoch nicht mit Silizium mithalten, so Juniorprofessor Tomas Palacios. Während einige Siliziumchips mittlerweile über eine Milliarde Transistoren haben, ist die Herstellung schneller Transistoren aus anderen Halbleitern in solch großer Zahl derzeit noch nicht möglich. Der Großteil der Transistoren auf einem Chip müsste jedoch gar nicht mit höchster Geschwindigkeit arbeiten, da nur etwa fünf bis zehn Prozent von ihnen die Berechnungen ausführen und daher möglichst schnell sein müssen.

Eine Lösung für dieses Problem könnte ein Hybrid-Chip mit verschiedenen Halbleitermaterialien sein. Der Großteil der Transistoren bestünde weiterhin aus Silizium, während ein anderes Material für diejenigen Transistoren genutzt würde, die eine höhere Leistung erbringen müssten. Palacios und sein Student Will Chung haben nun einen Chip hergestellt, der auf einem Wafer Transistoren aus Silizium und aus Galiumnitrid vereint. Statt die Galiumnitrid-Transistoren auf dem Siliziumchip wachsen zu lassen, betteten sie eine Galiumnitrid-Schicht in gewöhnliches Siliziumsubstrat ein. Dies hat zum Vorteil, dass sich solche Chips mit den gängigen Herstellungsverfahren fertigen lassen. Zudem wird durch die Tatsache, dass der Großteil der Transistoren bei geringerem Takt arbeitet, die Leistungsaufnahme gesenkt.

Weitere Anwendungsgebiete, neben Prozessoren, könnten Chips, die Laser und elektronische Komponenten auf einem Chip vereinen oder Chips die aus Druck und Vibrationen Energie für die Siliziumkomponenten gewinnen, sein. In der Mobilfunkindustrie sind Effizienzsteigerungen durch die Integration der verschiedenen heutzutage eingesetzten Chips aus unterschiedlichen Halbleitern in einem Hybrid-Chip denkbar. Der nächste Schritt in der Entwicklung ist eine Skalierung des Prozesses von einem ein Quadratzoll großen Chip auf, in der Halbleiterindustrie übliche, Wafergrößen von bis zu 300 mm Durchmesser und kompliziertere Schaltungen, was aber noch mehrere Jahre dauern dürfte. Zudem sind Probleme bei der Zuverlässigkeit und dem Umgang mit der hohen Abwärme der Galiumnitrid-Transistoren zu klären.