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Sie sind winzig und doch extrem bedeutend: Halbleiter finden sich in zahlreichen bekannten Gegenständen, wie unter anderem Leuchtioden, zum Beispiel OLEDs, Solarzellen, Fahrzeugen, Kaffeemaschinen und Smartphones. Sie sind integriert in Mikrochips, die unter anderem in Steuergeräten verbaut sind, die Fahr- und Bremsverhalten bei Autos regeln, ebenso Airbags und Assistenzsysteme. Beim autonomen Fahren kommen sie ebenfalls zum Einsatz. In diesem Fall müssen die Systeme sogar ähnlich wie ein menschliches Gehirn funktionieren und zahlreiche Daten logisch verarbeiten.
Sensoren und Halbleiter weiter gefragt
Die meisten Halbleiter, die es gibt, bestehen aus Silizium. Hinzu kommen welche auf Basis anderer chemischer Stoffe, zum Beispiel Bor, Selen, Tellur. Auch wenn siliziumbasierte Halbleiter sehr gängig sind, haben sie jedoch den Nachteil, dass sie in der Verarbeitung relativ teuer sind und eine gewisse Menge Strom verbrauchen. Deshalb arbeiten Forschende intensiv an Alternativen. Im Fokus der Forschung stehen vor allem sehr dünne, zweidimensionale Halbleiter, die auf Atomschichtebenen basieren. Bei ihnen gibt es dafür eine andere Herausforderung: Ihre elektrischen Eigenschaften lassen sich nicht so einfach kontrollieren wie bei Halbleitern aus Silizium. Aus diesem Grund war es bisher technisch schwierig, verschiedene sogenannte Logikgeräte mit zweidimensionalen Halbleitern umzusetzen. Genau das ist einem Forschungsteam aus Korea nun gelungen.
2D-Halbleiter lassen sich selektiv steuern
Eine Gruppe am Korea Institute of Science and Technology (KIST) unter der Leitung von Do Kyung Hwang vom Center for Opto-Electronic Materials and Devices und Kimoon Lee vom Department of Physics der Kunsan National University implementierte zweidimensionale halbleiterbasierte elektronische und logische Geräte. Ihre Eigenschaften können dank eines neuen ultradünnen Elektrodenmaterials aus der Ferne völlig frei gesteuert werden. Gelungen ist dies durch den Einsatz von sogenanntem CI-dotiertem Zinnselenid (CI-SnSe2). Durch dieses zweidimensionale Elektrodenmaterial ließen sich die elektronischen Halbleiterbauelemente in den Versuchen, welche die Forschenden durchführten, selektiv steuern.
Bislang wiesen Schaltungen mit herkömmlichen zweidimensionalen Halbleiterbauelementen entweder die Eigenschaften von N-Typ- oder P-Typ-Geräten auf, aber nicht beide. Diese Halbleiter haben auf der einen Seite eine sogenannte positive P-Region und auf der anderen Seite eine negative N-Region. Indem das Forschungsteam nun Defekte an der Halbleiterschnittstelle minimiert hat, erfüllt ein einziger Halbleiter jetzt die Funktionen sowohl von N- als auch von P-Typ-Geräten. Das verringere den Aufwand in der Herstellung. In Solarzellen zum Beispiel gibt es ebenfalls p-Typ- und n-Typ-Zellen. Die unterschiedliche elektrische Ladung entsteht durch den Einsatz chemischer Stoffe: In einer p-Zelle steckt neben Silizium hauptsächlich Bor. Das hat ein Elektron weniger als Silizium und somit ist die Zelle positiv geladen. Bei der n-Typ-Zelle wird zum Silizium hauptsächlich Phosphor verwendet. Das hat ein Elektron mehr als Silizium und deshalb ist die Zelle negativ geladen. Den p-Typ-Zellen wird mehr Widerstandsfähigkeit zugeschrieben, deshalb waren sie lange die meistverwendeten Zellen bei Solaranlagen. Inzwischen setzen Hersteller allerdings auch auf n-Typ-Zellen, weil sie deutlich effizienter sind. Zudem weisen sie keine Leistungseinbußen auf durch die erstmalige Bestrahlung mit Licht, der sogenannten lichtinduzierten Degradation (LID).
2D-Halbleiter: Hürden der Miniaturisierung überwunden
Gleichzeitig habe diese leistungsstarke, komplementäre Logikschaltung nur einen geringen Stromverbrauch. Die Forschenden sind sich sicher, damit einen großen Beitrag geleistet zu haben, die nächsten Schritte in Systemen mit künstlicher Intelligenz zu beschleunigen. Denn sie hätten die technischen Hürden, die durch die Miniaturisierung verursacht würden, überwunden. Da das Material, dass sie entwickelt haben, sehr dünn sei, weise es auch eine hohe Lichtdurchlässigkeit und Flexibilität auf. Das mache es so attraktiv für zukünftige Halbleiterbauelemente.
Das Korea Institute of Science and Technology (KIST) wurde 1966 in Korea gegründet – als staatlich finanziertes Forschungsinstitut. Die Halbleiterforschung wurde durch ein spezielles Programm unterstützt: das Nanomaterial Technology Development Projekt und das vom Ministerium für Wissenschaft finanzierte Projekt zur Entwicklung von Informations- und Kommunikationstechnologie.
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