Grafen‑semiconductorer – Er de endelig her?

I dag driver halvledere den moderne verden. De er ryggraden i elektroniske enheter, og en oppdagelse har som mål å transformere elektronikkindustrien betydelig. 

Også kalt mikrobrikker eller integrerte kretser (IC-er), er semiconductors materialer som har en elektrisk ledningsevne som ligger mellom ledere som aluminium og kobber og isolatorer som keramikk og glass.

Halvledere er følsomme for lys og varme, og deres motstand varierer. Resistiviteten til en halvleder synker når temperaturen øker, i motsetning til hvordan metaller oppfører seg.

Noen eksempler på halvledere er silisium og germanium, som er rene elementer og lett finnes i naturen. Deretter finnes forbindelser som kadmiumselenid og galliumnars. I tillegg tilsettes små mengder urenheter til rene halvledere gjennom en prosess kalt doping for å endre ledningsevnen eller egenskapene til materialene.

Avhengig av renheten deles halvledere inn i — intrinsiske halvledere, som er naturlige materialer laget av én enkelt atomtype og kan brukes direkte i enheter, og ekstrinsiske halvledere, som først må dopes før de kan brukes i enheter. Transformasjon av intrinsiske halvledere gir to typer ekstrinsiske halvledere: N-type eller donorer og P-type eller akseptorer.

Halvledere brukes til dioder, som omformer vekselstrøm til likestrøm, transistorer eller strømforsterkere, og elektroniske kretser, som er essensielle i produksjonen av ulike typer elektroniske enheter.

Med halvledere får vi fordelen av å ikke ha noen filamenter. Derfor trenger de ikke varmes opp for å avgi elektroner. Dette betyr også at halvledere kan brukes umiddelbart. I tillegg er de små i størrelse; de er derfor kompakte, bærbare og bruker mindre strøm. Halvledere er også ikke særlig dyre.

Halvledere er en integrert del av livene våre, for uten dem ville det ikke finnes TV, radio, datamaskiner, smarttelefoner, biler, kjøleskap og videospill. Halvledere gjør det mulig å lage små brytere som kan slås av og på for å kontrollere strømflyten, og denne strømmen som går gjennom elektriske kretser gjør at elektroniske enheter fungerer.

Dette gjør halvledere til en essensiell komponent i elektroniske enheter for å muliggjøre fremskritt innen databehandling, kommunikasjon, helsevesen, transport, ren energi, forsvar, husholdningsapparater, spillmaskinvare og mange andre anvendelser.

I løpet av de siste tiårene har utviklingen innen halvlederteknologi gjort disse elektroniske enhetene ikke bare mindre, men også raskere, mer sofistikerte, kompatible og pålitelige.

Selskaper som arbeider med halvledere organiserer vanligvis sine aktiviteter enten rundt design eller produksjon. De som fokuserer på design kalles «fabless»-firmaer, mens de som kun fokuserer på produksjon kalles «foundries», og de som gjør begge deler kalles Integrated Device Manufacturers, eller IDMer.

De siste årene har det vært en halvlederkrise. Siden slutten av 2020, etter pandemien og nedstengningene, har etterspørselen etter elektroniske enheter økt kraftig, og det har vært en global mangel på mikrobrikker og elektroniske kretser.

Samtidig har nettbaserte undervisning, fjernarbeid og økende digitalisering ført til enorm vekst i etterspørselen etter elektroniske enheter, og nye teknologiske fremskritt har ført til forstyrrende teknologier som AI, VR, 5G, big data og cloud services som har forverret situasjonen ytterligere.

Som svar på dette investerer selskaper over hele verden store mengder ressurser for å finne en løsning på problemet.

En stor oppdagelse: Det første funksjonelle grafen‑halvlederen 

Galliumnars er et populært halvledermateriale som brukes i solceller, laserdioder og mikrobølgefrekvens integrerte kretser. Det mest vanlige halvlederen i bruk i dag er imidlertid Silisium, som spiller en kritisk rolle i fremstilling av de fleste elektroniske kretser. Men materialet nærmer seg sin grense — det krever store mengder strøm, noe som får forskere til å lete etter et alternativ.

Og det finnes et annet element, grafen, som ikke regnes som et halvleder, men som kan brukes til å lage brikker og kretser. Det er et svært ledende materiale som effektivt avleder varme, noe som forbedrer ytelsen til elektroniske komponenter. Det har også overlegen hastighet og energieffektivitet sammenlignet med silisium uten å kreve store mengder energi, noe som gjør det svært gunstig å bruke i produksjon av elektronikk.

Grafen er et ekstremt tynt materiale, kun ett atomtykt lag av karbon arrangert i heksagoner, og er grunnlaget for grafitt. Til tross for at det er det tynneste materialet som er kjent for mennesket, er det svært sterkt (omtrent 200 ganger sterkere enn stål) og fleksibelt. 

For ikke å nevne at dette ene laget av karbonatomer er en utmerket leder av varme og elektrisitet og har noen interessante evner til å absorbere lys. Dermed har dette materialet potensial til å revolusjonere mange anvendelser, inkludert sensorer, solceller, batterier og mer.

Materialet har imidlertid også sine utfordringer, blant annet grafens eksepsjonelle elektriske ledningsevne, som gjør det vanskelig å bruke som et halvleder. Derfor trenger det et båndgap som gjør det mulig for halvledere å slå av og på, noe grafen vanligvis mangler. For å introdusere et båndgap i grafen har forskere laget grafen i spesifikke former eller brukt andre 2D‑materialer som har et iboende båndgap, men har ikke lykkes med å produsere levedyktig semikonduktiv grafen.

Mens forskere arbeider med grafen, ble det nylig gjort et gjennombrudd hvor forskere demonstrerte den første funksjonelle grafen‑halvlederen, noe som vil endre databehandlingens og elektronikkens verden for alltid. Dette ble oppnådd ved å overvinne hindringen som har påvirket grafforskning i mange år, nemlig å få riktig båndgap som kan slå av og på i riktig forhold — et avgjørende steg mot å gjøre grafen‑baserte brikker til virkelighet.

Grafen‑halvlederen med et båndgap er ikke bare funksjonell, men kan også integreres i eksisterende produksjonsprosesser. Publisert i Nature i den første uken av 2024, viste studien en funksjonell grafen‑halvleder som kan brukes i nanoelektronikk.

For dette ledet Walter de Heer, professor i fysikk ved Georgia Institute of Technology, en forskningsgruppe og samarbeidet med Kinas Tianjin University. Og han sa:

“Vi har nå en ekstremt robust grafen‑halvleder med ti ganger høyere mobilitet enn silisium, og som også har unike egenskaper som ikke finnes i silisium. Men historien om vårt arbeid de siste ti årene har vært, ‘Kan vi få dette materialet til å bli godt nok til å fungere?'”

Tidlig i sin karriere begynte De Heer med å utforske karbonbaserte materialer som potensielle halvledere, og skiftet deretter til 2D‑grafen for over tjue år siden. Teamet var “motivert av håpet om å introdusere tre spesielle egenskaper ved grafen i elektronikk” – et ekstremt robust materiale, evnen til å håndtere svært store strømmer, og å gjøre dette uten å bli varmt og gå i stykker.

Gjennombruddet ble oppnådd da teamet fant ut hvordan de kunne dyrke grafen på silisiumkarbid‑plater – som brukes i elektroniske enheter og muliggjør effektiv energikonvertering – ved å bruke spesialiserte ovner samt en spesiell varme‑ og kjøleprosess. 

Dette førte til epitaksial grafen, som er et lag som vokser på krystallflaten av silisiumkarbid (et hardt krystallinsk stoff som inneholder silisium og karbon), som, når det er laget riktig, kjemisk binder seg til silisiumkarbiden og viser halvlederegenskaper.

For å lage en funksjonell transistor må teamet sørge for at egenskapene ikke blir skadet når halvledermaterialet manipuleres for å fungere som en transistor. Til dette måtte teamet først undersøke om materialet var en god leder og bruke dopings‑teknikken, og det fungerte uten å skade materialet eller dets egenskaper. 

Overgangen til silisiumkarbid‑plater, ifølge de Heer, er “ganske gjennomførbar.” Studien fant at deres grafen‑halvleder har langt høyere mobilitet enn silisium, noe som betyr at elektronene beveger seg med svært lav motstand. I elektronikk betyr dette raskere databehandling. 

“Det er som å kjøre på en grusvei i stedet for en motorvei,” de Heer sa. “Det er mer effektivt, det blir ikke så varmt, og det tillater høyere hastigheter slik at elektronene kan bevege seg raskere.”

Revolusjonerende gjennombrudd for å drive fremtidens elektronikk

Etter ti år med forskning fant den nyeste studien ut hvordan man kan dyrke grafen på spesielle silisiumkarbid‑brikker. Teamet endret de kjemiske egenskapene til grafen for å oppnå den ønskelige strukturen slik at grafen kan fungere som en høykvalitets‑halvleder.

Når det gjelder å få grafen‑elektronikk til å bli realitet, bemerket de Heer:

“Vi måtte lære hvordan vi skulle behandle materialet, hvordan vi kunne forbedre det stadig mer, og til slutt hvordan vi kunne måle egenskapene. Det tok veldig, veldig lang tid.”

Halvlederen er for øyeblikket kun todimensjonal (2D) med alle nødvendige egenskaper for bruk i nanoelektronikk. Dens elektriske egenskaper er også langt overlegne andre todimensjonale halvledere som for tiden er under utvikling. Eksperter tror oppdagelsen kan fullstendig endre elektronikkindustrien ved å gjøre det mulig å lage nye, kraftige grafen‑halvledere som bruker mindre energi enn silisium.

“Denne forskningen har ikke bare bevart grafens bemerkelsesverdige stabilitet, men også introdusert nye elektroniske egenskaper, og banet vei for grafen‑baserte brikker,” uttalte Beijing‑baserte Science and Technology Daily.

Elektronikk basert på grafen er rett og slett mer effektivt fordi de trenger mindre strøm for å slå på og av, og i tillegg kan elektroner flyte uten å produsere varme som deretter må kjøles ned med enda mer energi. Dette betyr at “telefoner kan vare i uker uten å gå tom for batteri, redusere energiforbruket i alle deler av livene våre, redusere kostnader og forurensning fra fossilt brensel,” sa Sarah Haigh, professor i materialer ved Storbritannias National Graphene Institute, University of Manchester, i et intervju.

Dette kan bane vei for brikker som driver mer avanserte personlige datamaskiner og kvantedatamaskiner i fremtiden. 

Forskerne bemerket i studien at elektroner i dette silisiumalternativet, likt lys, har egenskaper som ligner kvantemekaniske bølger. Disse egenskapene kan svært godt utnyttes ved svært lave temperaturer. Forskerne har nå til hensikt å utforske dette i videre forskning.

Epitaksial grafen gjør at elektroner kan bevege seg med mindre motstand, noe som betyr at transistorer laget på denne måten kan operere ved terahertz‑frekvenser. Det hjelper med å overvinne begrensningene til silisium, som inkluderer hvor raskt transistorer kan slå av og på, hvor små de kan lages, og varmen som genereres. 

Slik kan det nye materialet forårsake et paradigmeskifte innen elektronikk, som gjør det mulig å utnytte elektroners kvantemekaniske bølgeegenskaper, et krav for kvantedatabehandling. Et stort steg mot neste generasjons databehandling, dette kan åpne dørene til en ny måte å bygge elektronikk som er mindre og raskere.

Som de Heer påpekte, er det ikke bare grafens evne til “å gjøre ting mindre og raskere og med mindre varmetap” men også utnyttelsen av “egenskapene til elektroner som ikke er tilgjengelige i silisium,” som presenterer “et paradigmeskifte—det er en annen måte å gjøre elektronikk på.” 

Dette betyr at en ny generasjon av elektronikk nå er nært forestående. I lang tid har silisium ledet elektronikken, som var et steg over vakuumrør, som kom etter ledninger og telegrafer, og nå vil grafen lede veien videre.

“For meg er dette som et Wright‑brødre‑øyeblikk,” sa de Heer. “De bygde et fly som kunne fly 300 fot gjennom luften. Men skeptikerne spurte hvorfor verden trengte fly når den allerede hadde raske tog og båter. Men de vedvarte, og det var begynnelsen på en teknologi som kan ta folk over havene.”

I tillegg kan det skaleres. Tidligere hadde grafen vist lovende egenskaper som halvleder, men kun i liten skala. Å oppskalere grafen‑halvledere til praktiske databrikkstørrelser har vært utfordrende. Imidlertid brukte det nyeste gjennombruddet en prosess som ligner på teknikker som brukes ved produksjon av silisiumbrikker og er kompatibel med konvensjonelle mikroelektronikk‑prosesser, noe som gjør det mer gjennomførbart å skalere opp.

Forskningen brukte plater, som ifølge David Carey ved University of Surrey i Storbritannia er “virkelig, virkelig skalerbar,” og teknologien som brukes av halvlederindustrien i dag kan brukes til “skalere opp denne prosessen.”

Det må fortsatt sees om de nyeste grafen‑halvlederne faktisk kan prestere bedre enn den nåværende superledende teknologien. Dessuten, for at verden skal gå over til grafen‑brikker, må ny forskning forbedres med hensyn til kvalitet, størrelse og produksjonsteknikker. Dette betyr at det blir en lang reise, og det kan ta mer enn et tiår å fullt ut realisere den industrielle implementeringen av grafen‑halvledere.

Klikk her for listen over de ti beste aksjene innen halvlederutstyr.