Neue Art von Elektronik möglich? 05.01.2024, 12:41 Uhr

10-mal schneller: Erster funktionaler Halbleiter aus Graphen hergestellt

Forschende des Georgia Institute of Technologie haben den weltweit ersten funktionalen Halbleiter aus Graphen hergestellt. Der kohlenstoffbasierte Chip macht Elektronen zehnmal schneller als beim Silizium.

Graphen-Halbleiter

Professor Walter de Heer mit seinem "Baby", einem Wafer, auf den Graphen aufgebracht wurde.

Foto: Georgia Institute of Technology

Beschleuniger für eine neue Art von Elektronik: Einem Forschungsteam ist es erstmals gelungen, einen Halbleiter-Chip aus Graphen zu entwickeln. Dies könnte den Weg für schnellere, kohlenstoffbasierte Elektronik ebnen. Der Schlüssel zum Erfolg lag in der Kombination von Graphen mit Siliziumcarbid, welches die erforderliche Bandlücke für den Halbleiter schafft. Erste Tests zeigen, dass sich Ladungen im Graphen-basierten Halbleiter bis zu zehnmal schneller bewegen als in herkömmlichem Silizium. Zudem entsteht weniger Wärme im Vergleich zu gängigen Halbleiterkomponenten. Diese Ergebnisse wurden im renommierten Fachjournal „Nature“ veröffentlicht.

Silizium stößt an seine Grenzen

Silizium ist das bevorzugte Material für Halbleiter in der Elektronik und findet sich in fast allen Transistoren und Schaltkreisen. Es fungiert dort als Schalter und Verstärker für den Ladungstransport. Für Halbleiter ist die Bandlücke zentral: Normalerweise sind die Elektronen in einem Halbleiter fest gebunden und es leitet keinen Strom. Wird jedoch Energie – etwa durch elektrische Spannung, Licht oder Wärme – zugeführt, überwinden die Elektronen die Bandlücke und werden beweglich.

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Allerdings gerät die Silizium-basierte Elektronik aufgrund von Miniaturisierung und steigenden Leistungsanforderungen in der Computertechnik an ihre Grenzen. Forscher suchen daher nach effizienteren Alternativen. Ein vielversprechender Kandidat ist Graphen, ein Maschendrahtzaun-ähnliches Material aus Kohlenstoffatomen. Es ist transparent, leicht, flexibel und extrem stabil, besitzt jedoch keine natürliche Bandlücke, was für einen Halbleiter jedoch unabdingbar ist. Diese Hürde hat das Forschungsteam nun überwunden, wie in der Studie nachzulesen ist. Damit wurde ein Problem gelöst, das die Graphenforschung bereits seit Jahrzehnten plagte.

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US-amerikanische und chinesische Zusammenarbeit

Dem Forschungsteam um Physikprofessor Walter de Heer vom Georgia Institute of Technology gelang der Durchbruch, als es herausfand, wie man Graphen auf Siliziumkarbid-Wafern in speziellen Öfen wachsen lassen kann. Genauer gesagt produzierten sie epitaktisches Graphen. Dies ist eine einzelne Schicht, die auf einer Kristallfläche des Siliziumkarbids wächst und sich bei korrekter Herstellung chemisch mit diesem verbindet, wodurch erste halbleitende Eigenschaften entstehen.

Über die nächsten zehn Jahre entwickelten sie dieses Material an der Georgia Tech weiter und arbeiteten später mit Kollegen am Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems der Universität Tianjin in China zusammen. Dieses Zentrum wurde 2014 von de Heer und Lei Ma gegründet, dem Direktor des Zentrums und Mitautor der Studie.

So wurde aus Graphen ein Halbleiter

Graphen ist in seiner natürlichen Form weder ein Halbleiter noch ein Metall, sondern ein Halbmetall. Eine Bandlücke ermöglicht es einem Material, durch Anlegen eines elektrischen Feldes ein- und ausgeschaltet zu werden, was grundlegend für die Funktion aller Transistoren und der Siliziumelektronik ist. Die zentrale Herausforderung in der Graphenelektronik-Forschung bestand darin, einen Weg zu finden, Graphen ein- und auszuschalten, sodass es ähnlich wie Silizium agiert.

Um einen funktionstüchtigen Transistor zu entwickeln, muss ein halbleitendes Material intensiv bearbeitet werden, was dessen Eigenschaften beeinträchtigen kann. Das Forschungsteam musste nachweisen, dass ihre Methode das Graphen in einen effektiven Halbleiter verwandelt, ohne es zu schädigen. Sie erreichten dies, indem sie Atome auf das Graphen aufbrachten, die Elektronen „spenden“. Die Dotierungstechnik dient dazu, die Leitfähigkeit des Materials zu testen. Letztlich führte dieser Prozess zum Erfolg und beeinträchtigte weder das Material noch seine charakteristischen Eigenschaften.

Graphen-Halbleiter hat zehnmal höhere Mobilität

Das Forschungsteam stellte fest, dass ihr Graphen-Halbleiter eine um das Zehnfache höhere Elektronenmobilität als Silizium besitzt. Dies bedeutet, dass Elektronen sich mit minimalem Widerstand bewegen, was in der Elektronikbranche zu einer beschleunigten Rechenleistung führt. Professor de Heer vergleicht dies mit dem Unterschied zwischen einer Schotterpiste und einer Autobahn: „Es ist effizienter, erzeugt weniger Wärme und ermöglicht höhere Geschwindigkeiten. Dadurch bewegen sich die Elektronen schneller.“

De Heer weiter: „Damit haben wir jetzt einen extrem robusten Graphen-Halbleiter, der eine höhere Mobilität als Silizium aufweist und darüber hinaus weitere einzigartige Eigenschaften besitzt.“ Die Forschenden sehen in dieser Entwicklung neue Wege, um elektronische Bauteile leistungsfähiger und schneller zu gestalten. „Dies ist ein Meilenstein, vergleichbar mit dem der Gebrüder Wright in der Luftfahrt“, erklärt de Heer.

Noch sind praktisch einsetzbare Transistoren aus Graphen in der Entwicklung, denn erkennt das Forschungsteam bereits das bedeutende kommerzielle Potenzial von Graphen-Siliziumcarbid-Chips. Diese könnten in Bereichen wie der Hochleistungselektronik, Raumfahrt und Biomedizintechnik Anwendung finden. Voraussetzung dafür sei allerdings die weitere Optimierung der Graphen-Halbleiterchips und Schaltkreise.

Hier geht es zur Studie

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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