Können organische Halbleiter die Vorteile von Graphen und Silizium kombinieren?

Verpasste Potenziale von Graphen‑Halbleitern

Graphen wird seit langem als  Wunderstoff mit außergewöhnlichen Eigenschaften angesehen, der eine Rolle bei Halbleitern der nächsten Generation spielen könnte. Seine Wahrnehmung als Wunderstoff ist vielschichtig, da es physikalisch 200‑mal stärker als Stahl ist und seine Elektronenbeweglichkeit in Graphen 140‑mal schneller ist als in Silizium.

Quelle: Visual Capitalist

Zunächst dachten Forscher, die Graphen untersuchten, es könnte Silizium in Halbleitern ersetzen. Leider fehlt ihm ein entscheidendes elektronisches Merkmal, das als „Bandlücke“ bezeichnet wird.

Eine Bandlücke bestimmt, ob ein Material als Metall (leitet Strom), Isolator (blockiert Strom) oder Halbleiter (zwischen leitend und isolierend umschalten kann) eingestuft wird.

Quelle: Energy Education

Das Problem ist, dass Graphen überhaupt keine Bandlücke besitzt, was seine Verwendung als Halbleiter verhindert.

Allerdings könnte ein anderer Materialtyp dieselbe Elektronenbeweglichkeit wie Graphen aufweisen, jedoch eine Bandlücke besitzen, die mit den Anforderungen von Halbleitern kompatibel ist. Dieses Material wird organischer Polymer genannt.

Herstellung organischer Halbleiter

Zwei Faktoren machen Graphen so leitfähig:

1. Es ist im Wesentlichen ein 2‑D‑Material, das eine vollkommen flache einatomige Kohlenstoffschicht bildet.
2. Die Elektronen zwischen den Kohlenstoff‑Hexagonen können nahezu frei durch die atomaren Strukturen fließen, die als aromatische Kohlenwasserstoffe bezeichnet werden.

Quelle: Britannica

Aromatische Kohlenwasserstoffe kommen in der Natur tatsächlich sehr häufig vor, doch die 2‑D‑Schicht von Graphen ist weitaus seltener. Viele organische Materialien haben jedoch das Potenzial, die in Graphen fehlende Bandlücke zu zeigen.

Forscher der südkoreanischen Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Prof. Kimoon Kim, Prof. Ji Hoon Shim, Prof. Jun Sung Kim und Dr. Yeongsang Lee, suchten nach einer Möglichkeit, gewöhnliches organisches Material in etwas Ähnliches wie Graphen zu verwandeln.

Quelle: POSTECH

Herstellung organischer Polymere in 2D

Was organische Polymere daran hindert, wie Graphen zu funktionieren, ist, dass während ihrer Polymerisation das Stapeln von Zwischenschichten das Wachstum des Polymers blockiert.

Die Forscher stellten fest, dass sie durch Zugabe chemischer Gruppen, die die Anlagerung von Monomeren verhindern (sterische Hinderung), das Stapeln zweidimensionaler Polymerzwischenprodukte unterdrücken konnten. Das verwendete organische Polymer war Triazacoronene.

Quelle: POSTECH

Anschließend fügten sie der Polymersynthese einen Schritt namens p‑Typ‑Dotierung hinzu, der in der Halbleiterproduktion üblich ist. Dabei werden Elemente zu einem Halbleitermaterial hinzugefügt, um dessen Leitfähigkeit weiter zu erhöhen.

Quelle: Wikipedia von VectorVoyager 

Das resultierende Material wurde von den Forschern als „außergewöhnlich leitfähig“ beschrieben.

Das enorme Potenzial organischer Halbleiter

Dieser Durchbruch löst das Problem, dass organische Halbleiter eine zu geringe Elektronenbeweglichkeit aufweisen.

Er erleichtert zudem die Kontrolle der Leitungswege für Elektronen und Löcher auf molekularer Ebene, ein notwendiger Schritt, um Transistoren und Computerchips aus diesem Material herzustellen.

Es ist auch möglich, dass Graphen eine „Bandlücke“ „zugefügt“ werden könnte, ein weiterer Ansatz, der in unserem Artikel „Graphen‑Halbleiter – Sind sie endlich da?“ ausführlicher behandelt wird.

Sowohl das Potenzial von Graphen‑Halbleitern als auch von organischen Halbleitern mit graphene‑ähnlichen Eigenschaften könnten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten bieten.

Natürlich gilt das nur, wenn wir weiterhin auf Halbleitern basierende Computertechnologien nutzen, anstatt Photonik, wie in „Fortschrittliche Halbleiter – Könnten ‚Donut‘‑Strahlen zu ‚Lego‘‑Blöcken werden, um Branchenansätze zu revolutionieren?“ diskutiert, oder Quantencomputing, wie in „Der aktuelle Stand des Quantencomputings“ erörtert.

Halbleiter

Während Silizium aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften an seine Grenzen stößt, könnte graphene‑ähnliche Leitfähigkeit organische Halbleiter zu einem brauchbaren Ersatzmaterial machen, um das Mooresche Gesetz aufrechtzuerhalten, da schnellere Elektronen zu schnelleren Berechnungen führen.

Damit wird organisches Material zu den Kandidaten für den Ersatz von Silizium, zusammen mit verbessertem Graphen und Isolator‑zu‑Metall‑Übergängen (IMT) wie Vanadiumdioxid (weitere Informationen zu diesen Fortschritten in der Halbleitertechnologie finden Sie in „Im Gleichschritt mit Moores Gesetz: Aktive Substrate und neuromorphes Computing“).

Batterien

Eine weitere Branche, die organische Materialien zur Ersetzung von Metallen prüft, ist die Batterietechnik, die durch den Boom bei Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien an Schwung gewinnt.

Wenn organische Materialien graphene‑ähnliche Eigenschaften zeigen, könnten sie eine Option für Graphen‑Batterien sein, eine der vielen möglichen Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge, die wir in „Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnik“ besprochen haben.

Halbleiterunternehmen

1. IBM

Ein historischer Pionier in den Bereichen Computing, Halbleiter und Chipdesign, die International Business Machines Corporation (IBM), war an den meisten bahnbrechenden Innovationen in der Computer- und Halbleiterindustrie beteiligt.

Dazu gehören leitende organische Materialien, wie in diesem Artikel erörtert, aber auch neuromorphes Computing, Quantencomputing, Photonik, etc.

Gemeinsam mit Intel gehört IBM zu den Unternehmen, die am aggressivsten neue Formen von Computertechnologien vorantreiben und versuchen, nicht‑siliziumbasierte Computer und deren frühere Erfolge zu replizieren.

Damit befindet sich IBM in einer guten Position, sein enormes F&E‑Budget und sein Netzwerk von Forschungspartnern zu nutzen, um Entdeckungen wie graphene‑ähnliche organische Halbleiter zu verwerten.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi ist ein Halbleiterunternehmen, das sich auf Elektrifizierung spezialisiert hat, einschließlich im Automobilbereich, aber auch in anderen Sektoren wie Solarenergie, Batterien, Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation, Rechenzentren und Medizin. Damit ist es ein wichtiger Partner für viele der größten Industrieunternehmen weltweit.

Quelle: ON Semi

Ein großer Teil von ON Semis technologischem Vorteil beruht auf Siliziumkarbid, einer Art Silizium‑Kohlenstoff‑Verbindung, die für Hochenergie‑Elektriksysteme verwendet wird. Sie ermöglichen insbesondere sehr hohe Leistungsbelastungen, die für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen erforderlich sind.

Siliziumkarbid ist die Chemikalie, die kürzlich von Forschern verwendet wurde, um halbleitendes Graphen zu entwickeln, wie in unserem Artikel „Graphen‑Halbleiter – Sind sie endlich da?“ beschrieben.

ON Semis Strategie, stark auf Siliziumkarbid zu setzen, führte in den letzten Jahren zu einem Umsatzsprung, angetrieben durch die EV‑Revolution.

Die Expertise von ON Semi in Siliziumkarbid und allgemein in kohlenstoffbasierten Halbleitern könnte bei der Industrialisierung von Halbleitern, die entweder auf Graphen oder organischen Materialien basieren, von großem Wert sein.

Gleichzeitig wird der Bedarf an immer leistungsfähigeren und effizienteren Batterien und elektrischen Systemen, bei denen Siliziumkarbid eine immer wichtigere Rolle in der globalen Lieferkette spielt, größer. Als Branchenführer wird ON Semi voraussichtlich stark von dem Elektrifizierungstrend profitieren, insbesondere von Elektrofahrzeugen.

Schließlich ist es auch möglich, dass, wenn organische Halbleiter Anwendungen in der Batterietechnologie finden, ON Semis starke Präsenz in diesem Sektor dem Unternehmen helfen könnte, zu den ersten zu gehören, die diese Technologie einsetzen können.