Alle vier Elemente stammen wie Silizium aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems. Das macht die Legierung kompatibel mit dem Standardverfahren der Chipindustrie, dem CMOS-Prozess. „Mit der Kombination dieser vier Elemente haben wir ein lang verfolgtes Ziel erreicht: den ultimativen Halbleiter auf Basis der vierten Hauptgruppe“, erläutert Dr. Dan Buca vom Forschungszentrum Jülich.
Mit der neuen Legierung CSiGeSn lassen sich Eigenschaften so feinjustieren, dass Bauelemente möglich werden, die mit reinem Silizium nicht realisierbar wären: etwa für optische Komponenten oder in Quantenschaltungen. Die Strukturen lassen sich direkt bei der Herstellung auf dem Chip erzeugen. Die Chemie setzt dabei klare Grenzen: Nur Elemente, die zur selben Hauptgruppe gehören wie Silizium, fügen sich nahtlos ins Kristallgitter auf dem Wafer ein. Elemente anderer Gruppen stören das Gefüge.
Schon zuvor war es Forscherinnen und Forscher um Dan Buca gelungen, Silizium, Germanium und Zinn zu kombinieren und daraus Transistoren, Photodetektoren, Laser und LEDs zu entwickeln – oder thermoelektrische Materialien. Die Hinzunahme von Kohlenstoff erweitert nun die Möglichkeiten, die Bandlücke – entscheidend für das elektronische und photonische Verhalten – gezielt einzustellen.
Die Herstellung der neuen Verbindung galt lange als kaum machbar. Kohlenstoff ist winzig, Zinn groß und ihre Bindungskräfte sind sehr verschieden. Erst durch präzise Einstellung der Herstellungsprozesse gelang es, diese Gegensätze zu vereinen – mit einer industriellen CVD-Anlage.