#Innovative Halbleitertechnologie entwickelt

Ein Hauch von Kohlenstoff statt Silizium: Forscher haben Graphen Halbleiter-Eigenschaften verschafft und damit neue Möglichkeiten in der Mikroelektronik eröffnet. Die einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen kann demnach für spannende Materialmerkmale sorgen. Die Technologie könnte unter anderem die Entwicklung von kleineren und leistungsfähigeren Mikroelektronik-Bauteilen ermöglichen, sagen die Wissenschaftler.

Sie werden unter bestimmten Bedingungen elektrisch leitend und können dadurch Schalterfunktionen übernehmen: Halbleiter bilden durch diese Materialeigenschaft die Grundlage von Mikrochips und Co. Bisher ist dafür hauptsächlich das Element Silizium im Einsatz – doch die Leistungsfähigkeit dieses Halbleiters stößt nun immer mehr an Grenzen. Für den weiteren Bedarf an Miniaturisierung, Leistungssteigerung und Funktionserweiterung in der Mikroelektronik sind deshalb innovative Halbleitersysteme gefragt.

Bereits seit einiger Zeit tüfteln Forscher dabei daran, die Merkmale von speziell strukturiertem Kohlenstoff nutzbar zu machen: Bei Graphen handelt es sich um eine zweidimensionale Struktur aus wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen, die durch starke Bindungen untereinander verknüpft sind. „Uns motivierte die Hoffnung, drei besondere Eigenschaften von Graphen in die Elektronik einzuführen: Es ist ein äußerst robustes Material, das sehr starke Ströme aushält und das, ohne dabei stark zu erhitzen und auseinanderzufallen“, erklärt Seniorautor Walter de Heer vom Georgia Institute of Technology in Atlanta.

Graphen nutzbar gemacht

De Heer und sein internationales Forscherteam konnten nun eine Hürde überwinden, die bisher der Graphen-Elektronik im Wege stand: Das Material besitzt normalerweise keine Halbleiter-Eigenschaft – dem Graphen fehlt die sogenannte Bandlücke. Dabei handelt es sich um eine energetische Barriere, die die Elektronen überwinden müssen, um mobil zu werden und damit das Material leitfähig zu machen. Dies geschieht bei Halbleitern beispielsweise, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Auf diesem Effekt basieren die Funktionen von Transistoren und der Silizium-Elektronik. Die Herausforderung in der Graphen-Elektronikforschung bestand deshalb darin, dem Material eine Bandlücke zu verleihen, damit es ähnlich wie Silizium nutzbar gemacht werden kann.

Das Konzept der neuen Entwicklung basiert nun auf der „Zucht“ einer einzelnen Graphen-Schicht auf einer speziellen Unterlage: Siliziumkarbid. Dabei handelt es sich um eine chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Durch ein Erhitzungsverfahren gelingt es den Entwicklern, eine Graphen-Lage so auf der Kristallfläche des Siliziumkarbids wachsen zu lassen, dass sie die gewünschten Eigenschaften und Struktur aufweist. Das Team konnte zeigen, dass sich dieses Graphen dabei so mit dem darunterliegenden Siliziumkarbid verbindet, dass das Graphen Halbleiter-Eigenschaften entwickelt. „Unsere Technologie schafft nun eine Bandlücke und ist damit ein entscheidender Schritt bei der Realisierung graphenbasierter Elektronik“, sagt Co-Autor Lei Ma von der chinesischen Tianjin Universität. De Heer ergänzt dazu: „Wir mussten allerdings lernen, wie man mit dem Material umgeht, wie man es immer besser macht und schließlich auch, wie man die Eigenschaften misst“.

Ein vielversprechender Halbleitertyp

Die Untersuchungsergebnisse des Teams zeigten dabei das Potenzial ihres Graphen-Halbleiters auf. Vor allem besitzt er ihnen zufolge eine zehnmal größere sogenannte Mobilität als Silizium. Das bedeutet: Die Elektronen können sich mit geringem Widerstand bewegen, was in der Elektronik zu schnelleren Berechnungen führen könnte, erklären die Wissenschaftler. „Wir haben jetzt einen äußerst robusten und leistungsfähigen Graphen-Halbleiter, der Eigenschaften aufweist, die Silizium nicht bietet“, sagt de Heer. „Das Material ist effizienter, es erwärmt sich nicht so stark und es ermöglicht, dass sich die Elektronen schneller bewegen können. Es ist, als ob man auf einer Autobahn statt einer Schotterstraße fährt“, so der Wissenschaftler.

Dem Team zufolge besitzt ihr System die grundlegend notwendigen Eigenschaften für den Einsatz in der Elektronik. Dadurch entwickelt die graphenbasierte Elektronik nun das Potenzial, technologische Entwicklungen entscheidend zu beflügeln. Sie könnte etwa noch kleinere und leistungsfähigeren Mikroelektronik-Bauteile ermöglichen. Außerdem könnte das Material der Nutzung der quantenmechanischen Welleneigenschaften von Elektronen zugutekommen, um Quanten-Computer herzustellen, schreibt das Georgia Institute of Technology. De Heer ist überzeugt: Die graphenbasierte Elektronik könnte eine bahnbrechende Technologie darstellen.

Quelle: Georgia Institute of Technology, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06811-0

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