Graphen-Halbleiter – Sind sie endlich da?

Heute beleben Halbleiter die moderne Welt. Sie sind die Grundlage elektronischer Geräte, und eine Entdeckung zielt darauf ab, die Elektronikindustrie erheblich zu verändern.

Auch als Mikrochips oder integrierte Schaltkreise (ICs) bezeichnet, sind Halbleiter Materialien, die eine elektrische Leitfähigkeit haben, die zwischen der von Leitern wie Aluminium und Kupfer und Isolatoren wie Keramik und Glas liegt.

Halbleiter sind empfindlich gegenüber Licht und Wärme, und ihr Widerstand variiert. Der spezifische Widerstand eines Halbleiters verringert sich, wenn seine Temperatur steigt, im Gegensatz zum Verhalten von Metallen.

Einige Beispiele für Halbleiter sind Silizium und Germanium, die reine Elemente sind und leicht in der Natur gefunden werden können. Dann gibt es Verbindungen wie Cadmiumselenid und Galliumarsenid. Außerdem werden kleine Mengen an Verunreinigungen zu reinen Halbleitern durch ein Verfahren namens Dotierung hinzugefügt, um die Leitfähigkeit oder Eigenschaften des Materials zu verändern.

Je nach Reinheit werden Halbleiter in zwei Kategorien eingeteilt – intrinsische Halbleiter, die natürliche Materialien sind, die aus einem einzigen Atomtyp bestehen und direkt in Geräten verwendet werden können, und extrinsische Halbleiter, die vor der Verwendung in Geräten dotiert werden müssen. Die Umwandlung von intrinsischen Halbleitern ergibt zwei Arten von extrinsischen Halbleitern: N-Typ oder Donatoren und P-Typ oder Akzeptoren.

Halbleiter werden für Dioden verwendet, die Wechselstrom in Gleichstrom oder Transistoren oder Stromverstärker umwandeln, und elektronische Schaltkreise, die für die Herstellung verschiedener Arten von elektronischen Geräten unerlässlich sind.

Mit Halbleitern haben wir den Vorteil, dass es keine Glühwendeln gibt. Sie müssen daher nicht erhitzt werden, um Elektronen abzugeben. Dies bedeutet auch, dass Halbleiter sofort betrieben werden können. Darüber hinaus sind sie klein und daher kompakt, tragbar und verbrauchen weniger Energie. Außerdem sind Halbleiter nicht sehr teuer.

Halbleiter sind ein integraler Bestandteil unseres Lebens, da es ohne sie kein Fernsehen, Radio, Computer, Smartphones, Automobile, Kühlschränke und Videospiele gäbe. Halbleiter ermöglichen im Grunde die Erstellung winziger Schalter, die ein- und ausgeschaltet werden können, um den Stromfluss zu kontrollieren, da der durch elektrische Schaltkreise fließende Strom es elektronischen Geräten ermöglicht, zu funktionieren.

Dies macht Halbleiter zu einem wesentlichen Bestandteil elektronischer Geräte, um Fortschritte in der Rechnertechnik, Kommunikation, Gesundheitsversorgung, Verkehr, sauberer Energie, Verteidigung, Haushaltsgeräten, Gaming-Hardware und vielen anderen Anwendungen zu ermöglichen.

In den letzten Jahrzehnten haben Entwicklungen in der Halbleitertechnologie diese elektronischen Geräte nicht nur kleiner, sondern auch schneller und komplexer, kompatibler und zuverlässiger gemacht.

Unternehmen, die mit Halbleitern arbeiten, organisieren ihre Aktivitäten in der Regel entweder um das Design oder die Herstellung. Diejenigen, die sich auf das Design konzentrieren, werden als “fabless”-Unternehmen bezeichnet, während diejenigen, die sich nur auf die Herstellung konzentrieren, als “Foundries” bezeichnet werden, und diejenigen, die beides tun, als Integrated Device Manufacturers (IDMs) bezeichnet werden.

In den letzten Jahren gab es eine Halbleiterkrise. Seit Ende 2020, nach der Pandemie und den Lockdowns, gibt es aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach elektronischen Geräten weltweit einen Mangel an Mikrochips und elektronischen Schaltkreisen.

Während Online-Kurse, Homeoffice und die zunehmende Digitalisierung zu einem enormen Wachstum der Nachfrage nach elektronischen Geräten führten, haben neue technologische Fortschritte zu disruptiven Technologien wie KI, VR, 5G, Big Data und Cloud-Diensten geführt, die die Situation weiter verschärft haben.

Als Reaktion darauf investieren Unternehmen auf der ganzen Welt enorme Ressourcen, um eine Lösung für das Problem zu finden.

Eine große Entdeckung: Der erste funktionale Graphen-Halbleiter

Galliumarsenid ist ein beliebter Halbleiter, der in Solarzellen, Laserdioden und Mikrowellen-Integrierten Schaltkreisen verwendet wird. Der am häufigsten verwendete Halbleiter heute ist jedoch Silizium, das eine entscheidende Rolle bei der Herstellung der meisten elektronischen Schaltkreise spielt. Aber das Material erreicht seine Grenzen – es benötigt eine große Menge an Energie, was Wissenschaftler dazu bringt, nach einer Alternative zu suchen.

Und es gibt ein weiteres Element, Graphen, das nicht als Halbleiter gilt, aber verwendet werden kann, um Chips und Schaltkreise herzustellen. Es ist ein hochleitfähiges Material, das Wärme sehr effektiv ableitet und die Leistung von elektronischen Komponenten verbessert. Es verfügt auch über eine überlegene Geschwindigkeit und Energieeffizienz im Vergleich zu Silizium, ohne dass große Mengen an Energie benötigt werden, was es sehr nützlich macht, um Elektronik zu erstellen.

Graphen ist ein extrem dünnes Material, nur eine Atomlage dick, die aus Kohlenstoffatomen in Hexagonen besteht und die Grundlage für Graphit bildet. Trotz seiner geringen Dicke ist es sehr widerstandsfähig (etwa 200-mal stärker als Stahl) und flexibel.

Umso mehr ist dieses einzelne Kohlenstoffatom eine gute Leiter von Wärme und Elektrizität und besitzt einige interessante Lichtabsorptionsfähigkeiten. Daher hat dieses Material das Potenzial, viele Anwendungen zu revolutionieren, einschließlich Sensoren, Solarzellen, Batterien und mehr.

Allerdings hat das Material auch seine Probleme, darunter die außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit von Graphen, die es schwierig macht, es als Halbleiter zu verwenden. Es benötigt also eine Bandlücke, die es Halbleitern ermöglicht, ein- und auszuschalten, die es normalerweise nicht hat. Um eine Bandlücke in Graphen einzuführen, haben Wissenschaftler Graphen in spezifischen Formen hergestellt oder andere 2D-Materialien verwendet, die eine inhärente Bandlücke mit dem Material haben, aber es ist ihnen nicht gelungen, funktionale Halbleiter-Graphen herzustellen.

Während Wissenschaftler mit Graphen arbeiten, wurde kürzlich ein Durchbruch erzielt, bei dem Forscher den ersten funktionellen Graphen-Halbleiter demonstrierten, was die Welt der Rechnertechnik und Elektronik für immer verändern wird. Dies wurde erreicht, indem die Hürde überwunden wurde, die die Graphen-Forschung viele Jahre behindert hat, nämlich die richtige Bandlücke zu finden, die ein- und ausgeschaltet werden kann, und dies stellt einen wichtigen Meilenstein dar, um Graphen-Chip-Elektronik zu realisieren.

Der Graphen-Halbleiter mit einer Bandlücke ist nicht nur funktionsfähig, sondern kann auch in bestehende Herstellungsprozesse integriert werden. In einer Studie, die Anfang 2024 in Nature veröffentlicht wurde, wurde ein funktionsfähiger Graphen-Halbleiter gezeigt, der in der Nanoelektronik verwendet werden kann.

Dazu führte Walter de Heer, Professor für Physik am Georgia Institute of Technology, eine Forschungsgruppe an und arbeitete mit der Tianjin-Universität in China zusammen. Er sagte:

“Wir haben jetzt einen extrem robusten Graphen-Halbleiter mit zehnmal höherer Mobilität als Silizium, und der auch einzigartige Eigenschaften besitzt, die in Silizium nicht verfügbar sind. Aber die Geschichte unserer Arbeit in den letzten zehn Jahren war: ‘Können wir dieses Material gut genug machen, damit es funktioniert?'”

Früh in seiner Karriere begann De Heer damit, kohlenstoffbasierte Materialien als potenzielle Halbleiter zu erforschen, dann wechselte er vor über zwanzig Jahren zu 2D-Graphen. Die Gruppe wurde “von der Hoffnung motiviert, drei besondere Eigenschaften von Graphen in die Elektronik einzuführen” – ein extrem robustes Material, seine Fähigkeit, sehr große Ströme zu handhaben, und dies ohne aufzuheizen und auseinanderzufallen.

Der Durchbruch wurde erreicht, als die Gruppe herausfand, wie man Graphen auf Siliziumkarbid-Wafern anbaut – die in elektronischen Geräten verwendet werden und eine effiziente Energieumwandlung ermöglichen – indem spezielle Öfen und ein spezielles Heiz- und Kühlverfahren verwendet werden.

Dies führte zu epitaxialem Graphen, einer Schicht, die auf der Kristallfläche von Siliziumkarbid (einem harten, kristallinen Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff) wächst, die, wenn sie richtig hergestellt wird, chemisch an das Siliziumkarbid bindet und halbleitende Eigenschaften zeigt.

Um einen funktionellen Transistor herzustellen, musste die Gruppe sicherstellen, dass die Eigenschaften des Materials nicht beschädigt werden, wenn das halbleitende Material manipuliert wird, um als funktioneller Transistor zu arbeiten. Dazu musste die Gruppe zunächst prüfen, ob das Material ein guter Leiter ist, und die Dotierungstechnik verwenden, und es funktionierte ohne das Material oder seine Eigenschaften zu beschädigen.

Der Übergang zu den Siliziumkarbid-Wafern ist nach De Heer “sehr machbar”. Die Studie fand heraus, dass ihr Graphen-Halbleiter eine viel höhere Mobilität als Silizium hat, was bedeutet, dass die Elektronen mit sehr geringem Widerstand bewegt werden. In der Elektronik bedeutet dies schnellere Rechnertechnik.

“Es ist wie Fahren auf einer Schotterstraße im Vergleich zum Fahren auf einer Autobahn”, sagte De Heer. “Es ist effizienter, es heizt nicht so viel auf und es ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, so dass die Elektronen schneller bewegt werden können.”

Revolutionärer Durchbruch, um zukünftige Elektronik zu fördern

Es war nach zehn Jahren Forschung, dass die letzte Studie herausfand, wie man Graphen auf spezielle Siliziumkarbid-Chips anbaut. Die Gruppe veränderte die chemischen Eigenschaften von Graphen, um die gewünschte Struktur zu erreichen, damit Graphen wie ein hochwertiger Halbleiter wirken kann.

Über die Herstellung von Graphen-Elektronik sagte De Heer:

“Wir mussten lernen, wie man mit dem Material umgeht, wie man es verbessert und verbessert, und schließlich, wie man die Eigenschaften misst. Das dauerte sehr, sehr lange.”

Der Halbleiter ist derzeit nur zweidimensional (2D) mit allen notwendigen Eigenschaften, um in der Nanoelektronik verwendet zu werden. Seine elektrischen Eigenschaften sind auch weit überlegen zu anderen zweidimensionalen Halbleitern, die derzeit in Arbeit sind. Experten glauben, dass die Entdeckung die Elektronikindustrie vollständig verändern kann, indem sie es ermöglicht, neue, leistungsstarke Graphen-Halbleiter herzustellen, die weniger Energie als Silizium verbrauchen.

“Diese Forschung hat nicht nur die bemerkenswerte Stabilität von Graphen beibehalten, sondern auch neue elektronische Eigenschaften eingeführt, die den Weg für Graphen-basierte Chips ebnen”, sagte die in Peking ansässige Science and Technology Daily.

Elektronik auf der Basis von Graphen ist einfach effizienter, da sie weniger Energie benötigt, um ein- und auszuschalten, und außerdem können Elektronen fließen, ohne dass Wärme erzeugt wird, die dann mit noch mehr Energie gekühlt werden muss. Dies bedeutet, dass “Telefone Wochen lang ohne Aufladen auskommen könnten, den Energieverbrauch in allen Bereichen unseres Lebens reduzieren, Kosten senken und die Verschmutzung durch fossile Brennstoffe reduzieren”, sagte Sarah Haigh, Professorin für Materialwissenschaften am National Graphene Institute der University of Manchester, in einem Interview.

Dies könnte den Weg für Chips ebnen, die leistungsstarke Personalcomputer und Quantencomputer in der Zukunft antreiben.

Die Forscher stellten in der Studie fest, dass die Elektronen in diesem Siliziumersatz, ähnlich wie Licht, Eigenschaften haben, die quantenmechanischen Wellen ähneln. Diese Eigenschaften können sehr gut bei sehr niedrigen Temperaturen genutzt werden. Die Forscher planen, dies in nachfolgenden Forschungen zu untersuchen.

Epitaxiales Graphen ermöglicht es den Elektronen, mit weniger Widerstand zu bewegen, was bedeutet, dass Transistoren auf diese Weise hergestellt werden können, die bei Terahertz-Frequenzen arbeiten. Es hilft, die Grenzen von Silizium zu überwinden, einschließlich der Geschwindigkeit, mit der Transistoren ein- und ausgeschaltet werden können, der Größe, die sie haben können, und der erzeugten Wärme.

Auf diese Weise kann das neue Material einen Paradigmenwechsel in der Elektronikindustrie herbeiführen, der es ermöglicht, die quantenmechanischen Welleneigenschaften von Elektronen zu nutzen, ein Erfordernis für die Quantenrechnertechnik. Ein wichtiger Schritt in Richtung der nächsten Generation der Rechnertechnik, der den Weg für eine neue Art der Elektronikherstellung ebnet, die kleiner und schneller ist.

Wie De Heer betonte, geht es nicht nur um die Fähigkeit von Graphen, “Dinge kleiner, schneller und mit weniger Wärmeabgabe zu machen”, sondern um die Nutzung der “Eigenschaften von Elektronen, die in Silizium nicht zugänglich sind”, was einen “Paradigmenwechsel darstellt – es ist eine andere Art, Elektronik zu machen”.

Dies bedeutet, dass eine weitere Generation von Elektronik nun unmittelbar bevorsteht. Seit langem hat Silizium die Elektronikindustrie angeführt, was einen Schritt über die Vakuumröhren darstellt, die nach den Drähten und Telegraphen kamen, und jetzt wird Graphen den Weg weisen.

“Für mich ist das wie ein Wright-Brüder-Moment”, sagte De Heer. “Sie bauten ein Flugzeug, das 300 Fuß durch die Luft fliegen konnte. Aber die Skeptiker fragten, warum die Welt Flugzeuge benötigen würde, wenn es bereits schnelle Züge und Boote gäbe. Aber sie beharrten darauf, und es war der Beginn einer Technologie, die Menschen über Ozeane tragen kann.”

Darüber hinaus kann es skaliert werden. Bisher hatte Graphen als Halbleiter nur auf kleiner Skala vielversprechend gewirkt. Die Skalierung von Graphen-Halbleitern auf praktische Größen für Computerchips war herausfordernd. Die neueste Entdeckung verwendete jedoch einen Prozess, der ähnlich wie die Techniken ist, die zur Herstellung von Silizium-Chips verwendet werden, und kompatibel mit herkömmlichen Mikroelektronik-Verfahren ist, was es einfacher macht, es zu skalieren.

Die Forschung verwendete Wafer, die nach David Carey von der University of Surrey “wirklich, wirklich skalierbar” sind, und die Technologie, die derzeit von der Halbleiterindustrie verwendet wird, kann verwendet werden, um “diesen Prozess zu skalieren”.

Es bleibt jedoch abzuwarten, ob die neuesten Graphen-Halbleiter tatsächlich besser als die aktuellen supraleitenden Technologien funktionieren können. Darüber hinaus muss für die Umstellung der Welt auf Graphen-Chips weitere Forschung in Bezug auf Qualität, Größe und Herstellungsverfahren durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass es ein langer Weg sein wird, und es kann mehr als ein Jahrzehnt dauern, um die industrielle Umsetzung von Graphen-Halbleitern vollständig zu realisieren.

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