Grafenhalfgeleiders – Zijn ze eindelijk hier?

Vandaag leveren halfgeleiders de energie voor de moderne wereld. Ze vormen de ruggengraat van elektronische apparaten, en een ontdekking heeft tot doel de elektronische industrie aanzienlijk te transformeren. 

Ook wel microchips of geïntegreerde schakelingen (IC:s) genoemd, zijn halfgeleiders materialen die een elektrische geleidbaarheid hebben die tussen die van geleiders zoals aluminium en koper en isolatoren zoals keramiek en glas ligt.

Halfgeleiders zijn gevoelig voor licht en warmte, en hun weerstand varieert. De resistiviteit van een halfgeleider daalt naarmate de temperatuur stijgt, in tegenstelling tot het gedrag van metalen.

Enkele voorbeelden van halfgeleiders zijn silicium en germanium, zuivere elementen die gemakkelijk in de natuur voorkomen. Daarnaast zijn er verbindingen zoals cadmiumselenide en galliumarsenide. Ook worden kleine hoeveelheden onzuiverheden aan zuivere halfgeleiders toegevoegd via een proces dat doping wordt genoemd, om de geleidbaarheid of eigenschappen van materialen te wijzigen.

Dus, afhankelijk van hun zuiverheid, worden halfgeleiders geclassificeerd in — intrinsieke halfgeleiders, natuurlijke materialen bestaande uit één type atoom die direct in apparaten kunnen worden gebruikt, en extrinsieke halfgeleiders, die eerst gedopeerd moeten worden om in apparaten te kunnen worden gebruikt. Het transformeren van intrinsieke halfgeleiders levert twee soorten extrinsieke halfgeleiders op: N-type of donor en P-type of acceptor.

Halfgeleiders worden gebruikt voor diodes, die wisselstroom omzetten in gelijkstroom, transistors of stroomversterkers, en voor elektronische schakelingen, die essentieel zijn bij de vervaardiging van verschillende soorten elektronische apparaten.

Met halfgeleiders hebben we het voordeel dat er geen filamenten nodig zijn. Daardoor hoeven ze niet verwarmd te worden om elektronen uit te stralen. Dit betekent ook dat halfgeleiders direct kunnen worden gebruikt. Bovendien zijn ze klein van formaat; ze zijn dus compact, draagbaar en verbruiken minder energie. Daarnaast zijn halfgeleiders niet erg duur.

Halfgeleiders zijn een onmisbaar onderdeel van ons leven; zonder hen zouden er geen tv, radio, computers, smartphones, auto’s, koelkasten en videogames bestaan. Halfgeleiders maken in feite de creatie van kleine schakelaars mogelijk die aan- en uitgezet kunnen worden om de stroom van elektriciteit te regelen, aangezien deze elektriciteit die door elektrische schakelingen stroomt, elektronische apparaten laat functioneren.

Dit maakt halfgeleiders een essentieel onderdeel van elektronische apparaten om vooruitgang mogelijk te maken op het gebied van computertechnologie, communicatie, gezondheidszorg, transport, schone energie, defensie, huishoudelijke apparaten, gaminghardware en vele andere toepassingen.

In de afgelopen decennia hebben ontwikkelingen in halfgeleidertechnologie deze elektronische apparaten niet alleen kleiner gemaakt, maar ook sneller, geavanceerder, compatibeler en betrouwbaarder.

Bedrijven die met halfgeleiders werken, organiseren hun activiteiten meestal rond ontwerp of productie. Degenen die zich op ontwerp richten, worden ‘fabless’-bedrijven genoemd, terwijl bedrijven die zich uitsluitend op productie richten ‘foundries’ worden genoemd, en bedrijven die beide doen, worden Integrated Device Manufacturers, of IDM’s, genoemd.

In de afgelopen jaren is er een halfgeleidercrisis ontstaan. Sinds eind 2020, na de pandemie en lockdowns, toen de vraag naar elektronische apparaten sterk toenam, is er wereldwijd een tekort aan microchips en elektronische schakelingen.

Terwijl online lessen, thuiswerken en toenemende digitalisering een enorme groei in de vraag naar elektronische apparaten veroorzaakten, hebben nieuwe technologische vooruitgangen geleid tot disruptieve technologieën zoals AI, VR, 5G, big data en clouddiensten, die de situatie verder hebben verergerd.

Als reactie hierop investeren bedrijven over de hele wereld enorme hoeveelheden middelen om een oplossing voor het probleem te vinden.

Een grote ontdekking: de eerste functionele grafeenhalfgeleider 

Galliumarsenide is een populair halfgeleider dat wordt gebruikt in zonnecellen, laserdiodes en geïntegreerde schakelingen voor microgolffrequenties. Het meest voorkomende halfgeleider dat vandaag de dag wordt gebruikt, is echter silicium, dat een cruciale rol speelt bij het vervaardigen van de meeste elektronische schakelingen. Maar het materiaal bereikt zijn limiet — het vereist een grote hoeveelheid energie, waardoor wetenschappers op zoek zijn naar een alternatief.

En er is een ander element, grafeen, dat niet als halfgeleider wordt beschouwd maar wel kan worden gebruikt om chips en schakelingen te maken. Het is een zeer geleidend materiaal dat warmte zeer effectief afvoert, waardoor de prestaties van elektronische componenten verbeteren. Het heeft ook een superieure snelheid en energie‑efficiëntie vergeleken met silicium, zonder grote hoeveelheden energie nodig te hebben, waardoor het uiterst voordelig is voor het vervaardigen van elektronica.

Grafeen is een extreem dun materiaal, slechts een eendelige atomaire laag koolstof gerangschikt in hexagonen, en vormt de basis van grafiet. Ondanks dat het het dunste materiaal is dat de mens kent, is het zeer sterk (ongeveer 200 keer sterker dan staal) en flexibel. 

Niet te vergeten, dit enkele blad koolstofatomen is een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit en bezit interessante lichtabsorptie‑eigenschappen. Hierdoor heeft dit materiaal de potentie om vele toepassingen te revolutioneren, waaronder sensoren, zonnecellen, batterijen en meer.

Echter, het materiaal kent ook problemen, waaronder de uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid van grafeen, waardoor het moeilijk te gebruiken is als halfgeleider. Het heeft daarom een bandgap nodig, die halfgeleiders in staat stelt aan‑ en uit te schakelen, maar die grafeen normaal niet bezit. Om een bandgap in grafeen te introduceren, hebben wetenschappers grafeen in specifieke vormen gefabriceerd of andere 2D‑materialen met een inherente bandgap gebruikt, maar ze slaagden er niet in om levensvatbaar grafeen‑halfgeleider te produceren.

Naarmate wetenschappers met grafeen werken, werd recent een doorbraak bereikt waarbij onderzoekers de eerste functionele grafeen‑halfgeleider demonstreerden, wat de wereld van computertechnologie en elektronica voorgoed zal veranderen. Dit werd bereikt door de hindernis te overwinnen die grafeen‑onderzoek jarenlang belemmerde: het verkrijgen van de juiste bandgap die op de juiste verhouding kan aan‑ en uitschakelen — een cruciale stap in het realiseren van grafeen‑chip‑gebaseerde elektronica.

De grafeen‑halfgeleider met een bandgap is niet alleen functioneel, maar kan ook worden geïntegreerd in bestaande productieprocessen. Gepubliceerd in Nature in de eerste week van 2024, toonde de studie een functionele grafeen‑halfgeleider die kan worden gebruikt in nano‑elektronica.

Hiervoor leidde Walter de Heer, een natuurkundig professor aan het Georgia Institute of Technology, een onderzoeksgroep en werkte samen met de Tianjin University in China. En hij zei:

“We hebben nu een extreem robuuste grafeen‑halfgeleider met tien keer de mobiliteit van silicium, en die ook unieke eigenschappen heeft die niet beschikbaar zijn in silicium. Maar het verhaal van ons werk van de afgelopen tien jaar was: ‘Kunnen we dit materiaal goed genoeg krijgen om te functioneren?'”

In het begin van zijn carrière begon De Heer met het verkennen van koolstof‑gebaseerde materialen als potentiële halfgeleiders, en schakelde meer dan twintig jaar geleden over op 2D‑grafeen. Het team was “gemotiveerd door de hoop drie speciale eigenschappen van grafeen in de elektronica te introduceren” — een extreem robuust materiaal, het vermogen om zeer grote stromen te verwerken, en dat te doen zonder op te warmen en uit elkaar te vallen.

De doorbraak werd bereikt toen het team ontdekte hoe grafeen te laten groeien op siliciumcarbide‑wafers — die worden gebruikt in elektronische apparaten en een efficiënte energie‑omzetting mogelijk maken — door gebruik te maken van gespecialiseerde ovens en een speciaal verwarmings‑ en koelproces. 

Dit leidde tot epitaxiaal grafeen, een laag die groeit op het kristaloppervlak van siliciumcarbide (een hard kristallijn verbinding van silicium en koolstof), die, wanneer correct vervaardigd, chemisch bindt aan het siliciumcarbide en halfgeleider‑eigenschappen vertoont.

Om een functionele transistor te maken, moet het team ervoor zorgen dat de eigenschappen niet beschadigd raken wanneer het halfgeleidende materiaal wordt gemanipuleerd om als een functionele transistor te werken. Hiervoor moest het team eerst nagaan of het materiaal een goede geleider was en de dopings­techniek toepassen, en dit werkte zonder het materiaal of de eigenschappen te beschadigen. 

De overgang naar de siliciumcarbide‑wafers is, volgens de Heer, “tamelijk haalbaar”. De studie ontdekte dat hun grafeen‑halfgeleider een veel grotere mobiliteit heeft dan silicium, wat betekent dat elektronen met zeer lage weerstand bewegen. In de elektronica vertaalt dit zich naar snellere berekeningen. 

“Het is als rijden op een grindweg versus rijden op een snelweg,” zei de Heer. “Het is efficiënter, het warmt niet zo sterk op, en het maakt hogere snelheden mogelijk zodat de elektronen sneller kunnen bewegen.”

Revolutionaire doorbraak om toekomstige elektronica te stimuleren

Na tien jaar onderzoek ontdekte de nieuwste studie hoe grafeen te laten groeien op speciale siliciumcarbide‑chips. Het team wijzigde de chemische eigenschappen van grafeen om de gewenste structuur te bereiken, zodat grafeen kan functioneren als een halfgeleider van hoge kwaliteit.

Over het realiseren van grafeen‑elektronica sprak de Heer:

“We moesten leren hoe we het materiaal moesten behandelen, hoe we het steeds beter konden maken, en uiteindelijk hoe we de eigenschappen moesten meten. Dat kostte een zeer, zeer lange tijd.”

Het halfgeleider is momenteel alleen tweedimensionaal (2D) met alle benodigde eigenschappen om te worden gebruikt in nano‑elektronica. Zijn elektrische eigenschappen zijn bovendien veel superieur aan andere tweedimensionale halfgeleiders die momenteel in ontwikkeling zijn. Experts geloven dat de ontdekking de elektronica‑industrie volledig kan veranderen door ons in staat te stellen nieuwe, krachtige grafeen‑halfgeleiders te creëren die minder energie verbruiken dan silicium.

“Dit onderzoek heeft niet alleen de opmerkelijke stabiliteit van grafeen behouden, maar ook nieuwe elektronische eigenschappen geïntroduceerd, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor grafeen‑gebaseerde chips,” verklaarde de in Peking gevestigde Science and Technology Daily.

Op grafeen gebaseerde elektronica is simpelweg efficiënter omdat ze minder vermogen nodig hebben om in- en uit te schakelen, en bovendien kunnen elektronen stromen zonder warmte te produceren die vervolgens met nog meer energie moet worden gekoeld. Dit betekent dat “telefoons wekenlang kunnen meegaan zonder dat de batterij leeg raakt, het energieverbruik in alle aspecten van ons leven wordt verminderd, waardoor kosten en de vervuiling door fossiele brandstoffen afnemen,” zei Sarah Haigh, professor materialen aan het National Graphene Institute van het VK, Universiteit van Manchester, in een interview.

Dit zou de weg kunnen vrijmaken voor chips die geavanceerdere personal computers en kwantumcomputers in de toekomst aandrijven.

De onderzoekers merkten in de studie op dat elektronen in dit silicium‑alternatief, net als licht, eigenschappen vertonen die lijken op kwantummechanische golven. Deze eigenschappen kunnen zeer goed worden benut bij zeer lage temperaturen. Onderzoekers willen dit nu in vervolgonderzoek verkennen.

Epitaxiaal grafeen laat elektronen bewegen met minder weerstand, wat betekent dat transistors op deze manier kunnen werken op terahertz‑frequenties. Het helpt de grenzen van silicium te overwinnen, waaronder hoe snel transistors kunnen in- en uitschakelen, hoe klein ze kunnen worden gemaakt en de geproduceerde warmte. 

Op deze manier zou het nieuwe materiaal een paradigmaverschuiving in de elektronica kunnen veroorzaken, waardoor de kwantummechanische golf‑eigenschappen van elektronen kunnen worden benut, een vereiste voor kwantumcomputing. Een grote stap richting de volgende generatie computing, dit kan de deuren openen naar een nieuwe manier van het bouwen van elektronica die kleiner en sneller is.

Zoals de Heer benadrukte, gaat het niet alleen om grafeen’s vermogen om “dingen kleiner en sneller te maken met minder warmteafvoer” maar ook om het benutten van de “eigenschappen van elektronen die niet toegankelijk zijn in silicium,” wat een “paradigmaverschuiving” presenteert — het is een andere manier van elektronica maken.

Dit betekent dat een nieuwe generatie elektronica nu nabij is. Al lange tijd leidt silicium de elektronica, een stap hoger dan vacuümbuizen, die op hun beurt volgden op draden en telegrafie, en nu zal grafeen de volgende leidende rol op zich nemen.

“Voor mij is dit een moment als dat van de gebroeders Wright,” zei de Heer. “Ze bouwden een vliegtuig dat 300 voet door de lucht kon vliegen. Maar de sceptici vroegen zich af waarom de wereld vliegen nodig had terwijl er al snelle treinen en boten waren. Maar ze hielden vol, en het was het begin van een technologie die mensen over oceanen kan vervoeren.”

Bovendien is het schaalbaar. Voorheen had grafeen potentie laten zien als halfgeleider, maar alleen op kleine schaal. Het opschalen van grafeen‑halfgeleiders naar praktische computerchip‑groottes is een uitdaging geweest. De nieuwste doorbraak gebruikte echter een proces dat vergelijkbaar is met technieken die bij het maken van siliciumchips worden gebruikt en compatibel is met conventionele micro‑elektronica verwerkingsmethoden, waardoor opschalen haalbaarder wordt.

Het onderzoek gebruikte wafers, die volgens David Carey van de Universiteit Surrey in het VK “echt, werkelijk schaalbaar” zijn, en de technologie die momenteel door de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt, kan worden ingezet om dit proces “op te schalen”.

Dat gezegd hebbende, moet nog blijken of de nieuwste grafeen‑halfgeleiders daadwerkelijk beter presteren dan de huidige supergeleidingstechnologie. Bovendien zal, om de wereld over te laten schakelen naar grafeen‑chips, nieuw onderzoek moeten worden verfijnd op het gebied van kwaliteit, grootte en productietechnieken. Dit betekent dat het een lange reis zal worden, en het kan meer dan een decennium duren om de industriële implementatie van grafeen‑halfgeleiders volledig te realiseren.

Klik hier voor de lijst van de tien beste halfgeleider‑apparatuuraandelen.