Grafensemiconductorer – Er de endelig her?

I dag driver halvledere den moderne verden. De er rygraden i elektroniske enheder, og en opdagelse sigter mod at transformere elektronikindustrien betydeligt. 

Også kaldet mikrochips eller integrerede kredsløb (IC’er), er semiconductors materialer, der har en elektrisk ledningsevne, der ligger mellem ledere som aluminium og kobber og isolatorer som keramik og glas.

Halvledere er følsomme over for lys og varme, og deres modstand varierer. En halvleders resistivitet falder, når temperaturen stiger, i modsætning til hvordan metaller opfører sig.

Nogle eksempler på halvledere inkluderer silicium og germanium, som er rene grundstoffer og let kan findes i naturen. Derudover findes forbindelser som cadmiumselenid og galliumarsenid. For at ændre ledningsevnen eller egenskaberne ved materialer tilsættes også små mængder urenheder til rene halvledere gennem en proces kaldet doping.

Således klassificeres halvledere efter deres renhed — intrinsiske halvledere, som er naturlige materialer bestående af én enkelt atomtype og kan bruges direkte i enheder, og ekstrinsiske halvledere, som først skal dopes for at kunne anvendes i enheder. Transformation af intrinsiske halvledere giver to typer ekstrinsiske halvledere: N-typiske (donorer) og P-typiske (acceptorer).

Halvledere bruges til dioder, som omdanner vekselstrøm til jævnstrøm, transistorer eller strømforstærkere, samt elektroniske kredsløb, som er afgørende i fremstillingen af forskellige typer af elektroniske enheder.

Med halvledere får vi fordelen af at undgå filamenter. Derfor behøver de ikke opvarmes for at udsende elektroner. Det betyder også, at halvledere kan betjenes øjeblikkeligt. Desuden er de små i størrelse; de er derfor kompakte, bærbare og bruger mindre strøm. Halvledere er også ikke særlig dyre.

Halvledere er en integreret del af vores liv, for uden dem ville der ikke være TV, radio, computere, smartphones, biler, køleskabe og videospil. Halvledere muliggør grundlæggende oprettelsen af små kontakter, der kan tændes og slukkes for at styre strømmen, da denne elektricitet, der flyder gennem elektriske kredsløb, får elektroniske enheder til at fungere.

Dette gør halvledere til en essentiel komponent i elektroniske enheder, som muliggør fremskridt inden for databehandling, kommunikation, sundhedspleje, transport, ren energi, forsvar, husholdningsapparater, gaminghardware og mange andre anvendelser.

I løbet af de sidste årtier har udviklingen inden for halvlederteknologi gjort disse elektroniske enheder ikke kun mindre, men også hurtigere, mere sofistikerede, kompatible og pålidelige.

Virksomheder, der arbejder med halvledere, organiserer typisk deres aktiviteter enten omkring design eller fremstilling. De, der fokuserer på design, kaldes “fabless”-virksomheder, mens de, der kun fokuserer på fremstilling, kaldes “foundries”, og dem der gør begge dele, kaldes Integrated Device Manufacturers eller IDMer.

I de seneste år har der været en halvlederkrise. Siden slutningen af 2020, efter pandemien og nedlukningerne, er efterspørgslen efter elektroniske enheder steget kraftigt, og der har været en global mangel på mikrochips og elektroniske kredsløb.

Mens onlineundervisning, fjernarbejde og øget digitalisering har forårsaget enorm vækst i efterspørgslen efter elektroniske enheder, har nye teknologiske fremskridt ført til forstyrrende teknologier som AI, VR, 5G, big data og cloud‑tjenester, som yderligere har forværret situationen.

Som svar på dette investerer virksomheder verden over enorme ressourcer for at finde en løsning på problemet.

En stor opdagelse: Det første funktionelle grafenhalvleder 

Galliumarsenid er et populært halvledermateriale, der bruges i solceller, laserdiode og mikrobølgefrekvens‑integrerede kredsløb. Det mest udbredte halvleder i dag er dog silicium, som spiller en kritisk rolle i fremstillingen af de fleste elektroniske kredsløb. Men materialet når sin grænse – det kræver store mængder energi, hvilket får forskere til at søge efter et alternativ.

Og der er et andet element, grafen, som ikke betragtes som et halvleder, men kan bruges til at lave chips og kredsløb. Det er et meget ledende materiale, der effektivt afleder varme, hvilket forbedrer ydeevnen af elektroniske komponenter. Det har også overlegen hastighed og energieffektivitet sammenlignet med silicium uden at kræve store energimængder, hvilket gør det yderst gavnligt i fremstillingen af elektronik.

Grafen er et ekstremt tyndt materiale, kun et enkelt atomtykt lag af kulstof arrangeret i hexagoner, og er grundlaget for grafit. På trods af at være det tyndeste kendte materiale, er det meget robust (omkring 200 gange stærkere end stål) og fleksibelt. 

Desuden er dette enkeltlag af kulstofatomer en fremragende leder af varme og elektricitet og har interessante evner til at absorbere lys. Derfor har materialet potentiale til at revolutionere mange anvendelser, herunder sensorer, solceller, batterier og mere.

Materialet har dog også sine udfordringer, herunder grafens exceptionelle elektriske ledningsevne, som gør det svært at anvende som halvleder. Derfor har det brug for et båndgab, som tillader halvledere at tænde og slukke, hvilket grafen normalt ikke har. For at indføre et båndgab i grafen har forskere fremstillet grafen i specifikke former eller brugt andre 2D‑materialer med et iboende båndgab, men har endnu ikke lykkedes at producere en levedygtig semikonduktive grafen.

Mens forskere arbejder med grafen, blev der for nylig gjort et gennembrud, hvor forskere demonstrerede den første funktionelle grafenhalvleder, hvilket betyder en permanent forandring af computer- og elektronikverdenen. Dette blev opnået ved at overvinde den hindring, der har påvirket grafenforskning i mange år, nemlig at opnå det rette båndgab, der kan tænde og slukke i den korrekte ratio – et afgørende skridt i at gøre grafen‑baserede chips til virkelighed.

Grafenhalvlederen med et båndgab er ikke kun funktionel, men kan også integreres i eksisterende fremstillingsprocesser. Publiceret i Nature i den første uge af 2024 viste undersøgelsen en funktionel grafenhalvleder, der kan anvendes i nanoelektronik.

Til dette ledte Walter de Heer, fysikprofessor ved Georgia Institute of Technology, en forskningsgruppe og samarbejdede med Kinas Tianjin University. Og han sagde:

“Vi har nu en ekstremt robust grafenhalvleder med ti gange så høj mobilitet som silicium, og som også har unikke egenskaber, der ikke findes i silicium. Men historien om vores arbejde de sidste ti år har været, ‘Kan vi få dette materiale til at være godt nok til at fungere?'”

Tidligt i sin karriere begyndte De Heer med at undersøge carbonbaserede materialer som potentielle halvledere, hvorefter han for over tyve år siden gik over til 2D‑grafen. Teamet var “motiveret af håbet om at indføre tre særlige egenskaber ved grafen i elektronik” – et ekstremt robust materiale, dets evne til at håndtere meget store strømme, og at gøre det uden at blive varmt og gå i stykker.

Gennembruddet blev opnået, da teamet fandt ud af, hvordan man dyrker grafen på siliciumkarbid‑siliciumplader – som anvendes i elektroniske enheder og muliggør effektiv energikonvertering – ved brug af specialiserede ovne samt en særlig opvarmnings‑ og afkølingsproces. 

Dette førte til epitaktisk grafen, som er et lag, der vokser på krystallens overflade af siliciumkarbid (en hård krystallinsk forbindelse indeholdende silicium og kulstof), som, når den fremstilles korrekt, kemisk binder sig til siliciumkarbidet og udviser halvlederegenskaber.

For at lave en funktionel transistor skal teamet sikre, at materialets egenskaber ikke beskadiges, når det halvledende materiale manipuleres til at fungere som en funktionel transistor. Til dette måtte teamet først undersøge, om materialet var en god leder, og anvende dopningsteknikken, hvilket lykkedes uden at beskadige materialet eller dets egenskaber. 

Overgangen til siliciumkarbid‑plader er, ifølge de Heer, “temmelig gennemførlig”. Undersøgelsen fandt, at deres grafenhalvleder har langt større mobilitet end silicium, hvilket betyder, at elektronerne bevæger sig med meget lav modstand. I elektronik betyder dette hurtigere beregning. 

“Det er som at køre på en grusvej i forhold til at køre på en motorvej,” sagde de Heer. “Det er mere effektivt, det bliver ikke så varmt, og det tillader højere hastigheder, så elektronerne kan bevæge sig hurtigere.”

Revolutionerende gennembrud til at drive fremtidens elektronik

Det var efter ti års forskning, at den seneste undersøgelse fandt ud af, hvordan man dyrker grafen på specielle siliciumkarbid‑chips. Teamet ændrede grafens kemiske egenskaber for at opnå den ønskede struktur, så grafen kan fungere som en højkvalitets‑halvleder.

Når man taler om at få grafen‑elektronik til at ske, bemærkede de Heer:

“Vi måtte lære, hvordan man behandler materialet, hvordan man gør det bedre og bedre, og endelig, hvordan man måler egenskaberne. Det tog meget, meget lang tid.”

Halvlederen er i øjeblikket kun todimensionel (2D) med alle nødvendige egenskaber til at blive brugt i nanoelektronik. Dens elektriske egenskaber er også langt overlegne i forhold til andre todimensionale halvledere, der er under udvikling. Eksperter mener, at opdagelsen fuldstændigt kan ændre elektronikindustriens ansigt ved at give os mulighed for at skabe nye, kraftfulde grafenhalvledere, der bruger mindre energi end silicium.

“Denne forskning har ikke kun bevaret grafens bemærkelsesværdige stabilitet, men også introduceret nye elektroniske egenskaber, der baner vejen for grafen‑baserede chips,” udtalte Beijing‑baserede Science and Technology Daily.

Elektronik baseret på grafen er simpelthen mere effektiv, da den kræver mindre strøm for at tænde og slukke, og desuden kan elektroner flyde uden at producere varme, som så skal afkøles med endnu mere energi. Det betyder, at “telefoner kunne holde i uger uden at løbe tør for batteri, reducere energiforbruget i alle dele af vores liv, sænke omkostningerne og forureningen fra fossile brændstoffer,” sagde Sarah Haigh, professor i materialer ved Storbritanniens National Graphene Institute, University of Manchester, i et interview.

Dette kan bane vejen for chips, der driver mere avancerede personlige computere og kvantecomputere i fremtiden. 

Forskerne bemærkede i undersøgelsen, at elektroner i dette siliciumalternativ, ligesom lys, har egenskaber, der ligner kvantemekaniske bølger. Disse egenskaber kan meget vel udnyttes ved meget lave temperaturer. Forskerne har nu til hensigt at udforske dette i efterfølgende forskning.

Epitaktisk grafen tillader elektroner at bevæge sig med mindre modstand, hvilket betyder, at transistorer fremstillet på denne måde kan operere ved terahertz‑frekvenser. Det hjælper med at overvinde siliciums begrænsninger, som omfatter hvor hurtigt transistorer kan tænde og slukke, hvor små de kan laves, og den varme, der skabes. 

På denne måde kan det nye materiale forårsage et paradigmeskift inden for elektronik, som tillader udnyttelse af elektronens kvantemekaniske bølgeegenskaber, et krav for kvantecomputing. Et stort skridt mod næste generation af beregning, dette kan åbne dørene til en ny måde at bygge elektronik, der er mindre og hurtigere.

Som de Heer påpegede, er det ikke kun grafens evne til at “gøre ting mindre og hurtigere og med mindre varmeafledning”, men også udnyttelsen af “elektronernes egenskaber, der ikke er tilgængelige i silicium”, hvilket præsenterer “et paradigmeskift – det er en anden måde at lave elektronik på.”

Dette betyder, at en ny generation af elektronik nu er nært forestående. I lang tid har silicium ledt inden for elektronik, som var et skridt over vakuumrør, som kom efter ledninger og telegrafer, og nu vil grafen lede vejen fremover.

“For mig er dette som et Wright‑brødre‑øjeblik,” sagde de Heer. “De byggede et fly, der kunne flyve 300 fod gennem luften. Men skeptikerne spurgte, hvorfor verden havde brug for flyvning, når den allerede havde hurtige tog og både. Men de holdt fast, og det var begyndelsen på en teknologi, der kan transportere mennesker over oceaner.”

Desuden kan det skaleres. Tidligere har grafen vist lovende egenskaber som halvleder, men kun i lille skala. Opskalering af grafenhalvledere til praktiske computerchip‑størrelser har været udfordrende. Det seneste gennembrud brugte dog en proces, der ligner teknikker, der anvendes til fremstilling af siliciumchips, og som er kompatibel med konventionelle mikroelektroniske fremstillingsmetoder, hvilket gør det mere gennemførligt at opskalere.

Forskningen brugte plader, som ifølge David Carey fra University of Surrey i Storbritannien er “virkelig, virkelig skalerbare,” og den teknologi, som halvlederindustrien i dag bruger, kan anvendes til at “opskalere denne proces.”

Det skal dog stadig ses, om de nyeste grafenhalvledere faktisk kan præstere bedre end den nuværende superledende teknologi. Desuden vil verden skulle skifte til grafenchips, så ny forskning skal forfines med hensyn til kvalitet, størrelse og fremstillingsteknikker. Det betyder, at det bliver en lang rejse, og det kan tage mere end et årti at fuldt ud realisere den industrielle implementering af grafenhalvledere.

Klik her for listen over de ti bedste aktier inden for halvlederudstyr.