Zirkonium

Zirkonium, auch Zirconium, ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Zr und der Ordnungszahl 40.

Es wurde nach dem Mineral Zirkon benannt, das eine Zirkoniumverbindung ist und 1789 von Martin Heinrich Klaproth entdeckt wurde.

Vorkommen

Verbindungen, in denen Zirkonium in der Natur am Häufigsten vorkommt:

• Zirkon (Silikat ZrSiO₄)
• Baddeleyit (Dioxid ZrO₂, siehe auch Zirkoniumdioxid)

Anwendungen

Zirkonium ist sehr korrosionsbeständig. Es wird zum Bau für chemische Anlagen verwendet. Da der Einfangquerschnitt von Zirkonium für thermische Neutronen sehr klein ist, werden seine Legierungen (die meistens Zinn oder Niob enthalten) für die Hüllrohre von Uranbrennstäben im Reaktorbau (Kernkraftwerk) verwendet. Zirkoniumlegierungen werden auch für chirurgische Instrumente verwendet. Zirkoniumverbindungen wie Zirkoniumdioxid oder Zirkoniumsilikat dienen zur Herstellung von feuerfesten Auskleidungen in Tiegeln und Behältern.

in Halbleitern

In der Halbleiterindustrie werden voraussichtlich ab 2007 bis 2008 für das Gate-Oxid von FETs so genannte high-k Materialien verwendet. Zur Zeit wird das Oxid von Silizium

Für die geplanten Prozesse wie 90 nm und 65 nm sind Oxiddicken von 1,1-1,6 nm notwendig.

Je dünner das Gate-Oxid, desto größer ist aber der Leckstrom vom Gate in den Halbleiter. Um den Leckstrom zu verringern, sucht man Materialien, mit einer höheren Dielektrizitäts-Konstante ε_r als

Zirkonium-Oxid

Das ebenfalls als high-k Material eingesetzte Hafnium-Oxid erreicht bis zu

Das Gate im FET funktioniert ungefähr wie ein Kondensator. Durch eine angelegte Spannung werden an beiden Elektroden entgegensetzte Ladungen gesammelt. Die Ladung im Kanal (Inversions-Zone) führt zur Leitung des FETs. Die Ladung ist dabei Q = C U. Beim Plattenkondensator ist

Würde man die Gate-Oxid-Dicke d erhöhen, sinkt die Kapazität. Dadurch stehen bei gleicher angelegter Gate-Spannung U_GS weniger Elektronen im Kanal zur Verfügung und der FET leitet schlechter. Das ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Threshold-Spannung U_T. Um die Ladung konstant zu halten, muss man die Dielektrizitäts-Konstate

erhöhen.

In der Prozesstechnik wird die so genannte Equivalent Oxide Thickness EOT eingeführt. Sie gibt die äquivalente Oxid-Dicke an. Das ist wegen einer quantenmechanisch begründeten Verschiebung des Schwerpunktes der Ladungsverteilung von der Oberfläche in den Halbleiter hinein notwendig. Darum ist sie ein bißchen größer als die physikalische Oxid-Dicke. Sie bezieht sich auf das Dielektrikum

Durch die Verwendung von high-k Materialien (

kann die Oxiddicke bei gleichbleibender EOT um den Faktor

erhöht werden. Damit sinkt der Gate-Leckstrom beträchtlich.

Weblinks

• Abbildung in der Elementansammlung von Pniok
• Abbildungen und Details in der ELEMENTE-BÖRSE www.seltenerden.de (deutsch)