Graphen‑Halbleiter – Sind sie endlich da?

Heute versorgen Halbleiter die moderne Welt mit Strom. Sie sind das Rückgrat elektronischer Geräte, und eine Entdeckung zielt darauf ab, die Elektronikindustrie erheblich zu transformieren. 

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

Halbleiter sind empfindlich gegenüber Licht und Wärme, und ihr Widerstand variiert. Die Resistivität eines Halbleiters sinkt, wenn seine Temperatur steigt, im Gegensatz zum Verhalten von Metallen.

Einige Beispiele für Halbleiter sind Silizium und Germanium, reine Elemente, die leicht in der Natur vorkommen. Dann gibt es Verbindungen wie Cadmiumselenid und Galliumnarsenid. Außerdem werden kleine Mengen von Verunreinigungen zu reinen Halbleitern hinzugefügt, um deren Leitfähigkeit oder Eigenschaften zu verändern, ein Vorgang, der als Dotierung bezeichnet wird.

Je nach Reinheit werden Halbleiter in – intrinsische Halbleiter, natürliche Materialien, die aus einer einzigen Atomart bestehen und direkt in Bauteilen verwendet werden können, und extrinsische Halbleiter, die zuerst dotiert werden müssen, um in Geräten eingesetzt zu werden – eingeteilt. Die Umwandlung intrinsischer Halbleiter führt zu zwei Arten extrinsischer Halbleiter: N‑Typ (Donoren) und P‑Typ (Akzeptoren).

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

Durch Halbleiter erhalten wir den Vorteil, dass keine Filamente nötig sind. Sie müssen nicht erhitzt werden, um Elektronen zu emittieren. Das bedeutet zudem, dass Halbleiter sofort betrieben werden können. Außerdem sind sie klein; somit kompakt, tragbar und verbrauchen weniger Energie. Halbleiter sind zudem nicht sehr teuer.

Halbleiter sind ein integraler Bestandteil unseres Lebens; ohne sie gäbe es keinen Fernseher, kein Radio, keine Computer, Smartphones, Automobile, Kühlschränke und Videospiele. Halbleiter ermöglichen im Grunde die Herstellung winziger Schalter, die ein- und ausgeschaltet werden können, um den Stromfluss zu steuern, wodurch elektronische Geräte funktionieren.

Damit sind Halbleiter ein unverzichtbarer Bestandteil elektronischer Geräte, die Fortschritte in den Bereichen Computing, Kommunikation, Gesundheitswesen, Transport, saubere Energie, Verteidigung, Haushaltsgeräte, Gaming‑Hardware und vielen anderen Anwendungen ermöglichen.

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

Unternehmen, die mit Halbleitern arbeiten, organisieren ihre Aktivitäten in der Regel entweder um Design oder Fertigung. Diejenigen, die sich auf das Design konzentrieren, werden als „fabless“-Firmen bezeichnet, während Unternehmen, die ausschließlich fertigen, „Foundries“ genannt werden; Unternehmen, die beides tun, heißen Integrated Device Manufacturers (IDMs).

In den letzten Jahren gab es eine Halbleiterkrise. Seit Ende 2020, nach der Pandemie und den Lockdowns, stieg die Nachfrage nach elektronischen Geräten stark an, was weltweit zu einem Mangel an Mikrochips und elektronischen Schaltungen führte.

Während Online‑Unterricht, Remote‑Arbeit und die zunehmende Digitalisierung ein enormes Wachstum der Nachfrage nach elektronischen Geräten verursachten, 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 weltweit enorme Ressourcen, um eine Lösung für das Problem zu finden.

Eine große Entdeckung: Der erste funktionale Graphen‑Halbleiter 

Galliumnarsenid ist ein beliebter Halbleiter, der in Solarzellen, Laserdioden und Mikrowellen‑Frequenz‑integrierten Schaltungen verwendet wird. Der am häufigsten genutzte Halbleiter heute ist jedoch Silizium, das eine entscheidende Rolle bei der Herstellung der meisten elektronischen Schaltungen spielt. Doch das Material stößt an seine Grenzen – es benötigt viel Energie, weshalb Wissenschaftler nach einer Alternative suchen.

Und es gibt ein weiteres Element, Graphen, das zwar nicht als Halbleiter gilt, aber zur Herstellung von Chips und Schaltungen verwendet werden kann. Es ist ein hochleitfähiges Material, das Wärme sehr effektiv ableitet und so die Leistung elektronischer Bauteile verbessert. Zudem bietet es im Vergleich zu Silizium eine überlegene Geschwindigkeit und Energieeffizienz, ohne große Energiemengen zu benötigen, was es äußerst vorteilhaft für die Elektronikherstellung macht.

Graphen ist ein extrem dünnes Material, eine nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, die in Hexagonen angeordnet ist und die Grundlage für Graphit bildet. Trotz seiner Stellung als dünnste bekannte Substanz ist es sehr robust (etwa 200‑mal stärker als Stahl) und flexibel.

Nicht zu vergessen, dieses einzelne Blatt aus Kohlenstoffatomen ist ein hervorragender Leiter von Wärme und Elektrizität und weist interessante Lichtabsorptionseigenschaften auf. Daher hat dieses Material das Potenzial, zahlreiche Anwendungen zu revolutionieren, darunter Sensoren, Solarzellen, Batterien und mehr.

Allerdings ist das Material nicht ohne Probleme, insbesondere aufgrund seiner außergewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit, die die Nutzung als Halbleiter erschwert. Es benötigt eine Bandlücke, die Halbleitern das Ein‑ und Ausschalten ermöglicht, die Graphen normalerweise nicht besitzt. Um Graphen eine Bandlücke zu verleihen, haben Wissenschaftler Graphen in speziellen Formen gefertigt oder andere 2D‑Materialien mit inhärenter Bandlücke verwendet, jedoch bislang keinen funktionsfähigen halbleitenden Graphen erzeugen können.

Während Wissenschaftler mit Graphen arbeiten, wurde kürzlich ein Durchbruch erzielt, bei dem Forscher den ersten funktionalen Graphen‑Halbleiter demonstrierten, was die Welt des Rechnens und der Elektronik für immer verändern könnte. Dies gelang, indem das jahrelang bestehende Hindernis in der Graphen‑Forschung überwunden wurde: die richtige Bandlücke, die sich im richtigen Verhältnis ein‑ und ausschalten lässt – ein entscheidender Schritt, um graphene‑basierte Chip‑Elektronik Realität werden zu lassen.

Der Graphen‑Halbleiter mit einer Bandlücke ist nicht nur funktional, sondern kann auch in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden. In der ersten Woche des Jahres 2024 in Nature veröffentlicht, zeigte die Studie, dass ein funktionaler Graphen‑Halbleiter in der Nanoelektronik eingesetzt werden kann.

Dazu leitete Walter de Heer, Physikprofessor am Georgia Institute of Technology, ein Forschungsteam und arbeitete mit der Tianjin University in China zusammen. Und er sagte:

“Wir haben jetzt einen extrem robusten Graphen‑Halbleiter mit zehnmal höherer Mobilität als Silizium, der zudem einzigartige Eigenschaften besitzt, die in Silizium nicht verfügbar sind. Aber die Geschichte unserer Arbeit der letzten zehn Jahre lautete: „Können wir dieses Material so gut machen, dass es funktioniert?“”

Zu Beginn seiner Karriere untersuchte De Heer kohlenstoffbasierte Materialien als potenzielle Halbleiter, wechselte vor über zwanzig Jahren zu 2D‑Graphen. Das Team war „motiviert durch die Hoffnung, drei besondere Eigenschaften von Graphen in die Elektronik zu integrieren“ – ein extrem robustes Material, seine Fähigkeit, sehr große Ströme zu bewältigen, und das ohne Aufheizen und Zerfallen.

Der Durchbruch gelang, als das Team herausfand, wie man Graphen auf Siliziumkarbid‑Wafern züchtet – die in elektronischen Geräten verwendet werden und eine effiziente Energiewandlung ermöglichen – mittels spezialisierter Öfen sowie eines speziellen Heiz‑ und Kühlprozesses.

Dies führte zu epitaktischem Graphen, einer Schicht, die auf der Kristallfläche von Siliziumkarbid (einer harten kristallinen Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff) wächst und bei korrekter Herstellung chemisch an das Siliziumkarbid bindet und halbleitende Eigenschaften zeigt.

Um einen funktionalen Transistor zu erzeugen, muss das Team sicherstellen, dass die Eigenschaften des Materials nicht beschädigt werden, wenn der Halbleiter so manipuliert wird, dass er als funktionaler Transistor funktioniert. Dazu musste zunächst geprüft werden, ob das Material ein guter Leiter ist, und die Dotierungstechnik wurde eingesetzt – sie funktionierte, ohne das Material oder seine Eigenschaften zu schädigen.

Der Umstieg auf Siliziumkarbid‑Wafer ist laut de Heer „ziemlich machbar“. Die Studie ergab, dass ihr Graphen‑Halbleiter eine deutlich höhere Mobilität als Silizium aufweist, was bedeutet, dass sich die Elektronen mit sehr geringem Widerstand bewegen. In der Elektronik führt das zu schnelleren Berechnungen.

„Es ist, als würde man auf einer Schotterstraße im Vergleich zu einer Autobahn fahren“, sagte de Heer. „Es ist effizienter, es erhitzt sich nicht so stark und ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, sodass die Elektronen schneller fließen können.“

Revolutionärer Durchbruch zur Ankurbelung zukünftiger Elektronik

Erst nach zehn Jahren Forschung fand die neueste Studie heraus, wie man Graphen auf speziellen Siliziumkarbid‑Chips züchtet. Das Team veränderte die chemischen Eigenschaften von Graphen, um die gewünschte Struktur zu erreichen, sodass Graphen wie ein hochwertiger Halbleiter fungieren kann.

Wenn es darum geht, Graphen‑Elektronik zu realisieren, bemerkte de Heer:

“Wir mussten lernen, wie man das Material behandelt, wie man es immer besser macht und schließlich, wie man die Eigenschaften misst. Das dauerte sehr, sehr lange.”

Der Halbleiter ist derzeit nur zweidimensional (2D) und besitzt alle notwendigen Eigenschaften für den Einsatz in der Nanoelektronik. Seine elektrischen Eigenschaften übertreffen zudem deutlich andere derzeit entwickelte zweidimensionale Halbleiter. Experten glauben, dass die Entdeckung die Elektronikindustrie grundlegend verändern kann, indem sie uns ermöglicht, neue, leistungsstarke Graphen‑Halbleiter zu schaffen, die weniger Energie als Silizium verbrauchen.

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

Auf Graphen basierende Elektronik ist einfach effizienter, da sie weniger Energie zum Ein‑ und Ausschalten benötigt und zudem Elektronen fließen lässt, ohne Wärme zu erzeugen, die wiederum mit noch mehr Energie gekühlt werden müsste. Das bedeutet, „Handys könnten wochenlang ohne leere Batterie auskommen, den Energieverbrauch in allen Bereichen unseres Lebens senken, Kosten und die Verschmutzung durch fossile Brennstoffe reduzieren“, sagte Sarah Haigh, Professorin für Materialien am National Graphene Institute des Vereinigten Königreichs, Universität Manchester, in einem Interview.

Dies könnte den Weg für Chips ebnen, die künftig leistungsfähigere Personal‑Computer und Quantencomputer antreiben.

Die Forscher stellten in der Studie fest, dass Elektronen in dieser Silikon‑Alternative, ähnlich wie Licht, Eigenschaften von quantenmechanischen Wellen aufweisen. Diese Eigenschaften können sehr gut bei sehr niedrigen Temperaturen genutzt werden. Die Forscher beabsichtigen nun, dies in weiteren Untersuchungen zu erforschen.

Epitaktisches Graphen lässt Elektronen mit weniger Widerstand fließen, was bedeutet, dass auf diese Weise hergestellte Transistoren bei Terahertz‑Frequenzen arbeiten können. Es hilft, die Grenzen von Silizium zu überwinden, darunter die maximale Schaltgeschwindigkeit von Transistoren, die minimale Größe und die erzeugte Wärme.

Auf diese Weise könnte das neue Material einen Paradigmenwechsel im Bereich der Elektronik auslösen, indem die quantenmechanischen Welleneigenschaften von Elektronen genutzt werden – eine Voraussetzung für Quantencomputing. Als bedeutender Schritt zur nächsten Generation des Rechnens kann dies die Türen zu einer neuen Art des Aufbaus von Elektronik öffnen, die kleiner und schneller ist.

Wie de Heer betonte, geht es nicht nur um Graphens Fähigkeit, „Dinge kleiner und schneller zu machen und dabei weniger Wärme abzugeben“, sondern auch um die Nutzung der „Eigenschaften von Elektronen, die in Silizium nicht zugänglich sind“, was einen „Paradigmenwechsel – es ist ein anderer Weg, Elektronik zu betreiben“ darstellt.

Das bedeutet, dass eine weitere Generation von Elektronik nun bevorsteht. Seit langem dominiert Silizium die Elektronik, ein Schritt über den Vakuumröhren, die nach Drähten und Telegrafen kamen, und nun wird Graphen den nächsten Schritt anführen.

„Für mich ist das wie ein Wright‑Brüder‑Moment“, sagte de Heer. „Sie bauten ein Flugzeug, das 300 Fuß durch die Luft fliegen konnte. Doch die Skeptiker fragten, warum die Welt das Fliegen brauche, wenn es bereits schnelle Züge und Schiffe gab. Sie hielten jedoch durch, und das war der Beginn einer Technologie, die Menschen über Ozeane hinweg transportieren kann.“

Außerdem lässt es sich skalieren. Früher zeigte Graphen als Halbleiter vielversprechende Eigenschaften, jedoch nur im kleinen Maßstab. Die Skalierung von Graphen‑Halbleitern auf praktische Chip‑Größen war eine Herausforderung. Der jüngste Durchbruch nutzte jedoch ein Verfahren, das den Techniken zur Herstellung von Silizium‑Chips ähnelt und mit konventionellen mikroelektronischen Verarbeitungsmethoden kompatibel ist, was die Skalierung erleichtert.

Die Forschung nutzte Wafer, die laut David Carey von der University of Surrey im Vereinigten Königreich „wirklich, wirklich skalierbar“ seien, und die derzeit von der Halbleiterindustrie verwendete Technologie könne genutzt werden, um „diesen Prozess zu skalieren“.

Dennoch bleibt abzuwarten, ob die neuesten Graphen‑Halbleiter tatsächlich besser abschneiden als die aktuelle Supraleitungstechnologie. Darüber hinaus muss für den weltweiten Umstieg auf Graphen‑Chips die Forschung hinsichtlich Qualität, Größe und Fertigungstechniken weiter verfeinert werden. Das bedeutet, dass es ein langer Weg sein wird und es mehr als ein Jahrzehnt dauern kann, bis die industrielle Umsetzung von Graphen‑Halbleitern vollständig realisiert ist.

Klicken Sie hier für die Liste der zehn besten Halbleiterausrüstungsaktien.