Forschung Bessere Mikroelektronik mit Kohle?

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Die University of Illinois Urbana-Champaign und ihre Forschungspartner zeigten, wie Kohle eine wichtige Rolle in der Elektronik der nächsten Generationen spielen kann.

Kohle ist eine reichlich vorhandene Ressource in den Vereinigten Staaten, die leider durch ihre Verwendung als fossiler Brennstoff zum Klimawandel beigetragen hat. Im Zuge der Umstellung des Landes auf andere Formen der Energieerzeugung ist es wichtig, die wirtschaftliche Rolle der Kohle zu überdenken und neu zu bewerten.

Eine gemeinsame Forschungsarbeit der University of Illinois Urbana-Champaign, des National Energy Technology Laboratory (NETL), des Oak Ridge National Laboratory und der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company hat gezeigt, wie Kohle eine wichtige Rolle in Elektroniksystemen der nächsten Generation spielen kann.

„Kohle wird normalerweise als etwas Sperriges und Schmutziges angesehen, aber die von uns entwickelten Fertigungstechniken können sie in hochreine Materialien umwandeln, die nur ein paar Atome dick sind“, sagte Qing Cao, Professor für Materialwissenschaft und -technik an der UoI und einer der Leiter der Zusammenarbeit.

„Ihre einzigartigen atomaren Strukturen und Eigenschaften sind ideal für die Herstellung der kleinstmöglichen Elektronik mit einer Leistung, die dem Stand der Technik überlegen ist.“

Ein vom NETL entwickelter Prozess wandelt zunächst Holzkohle in nanoskalige Kohlenstoffscheiben um, die als „Kohlenstoffpunkte“ bezeichnet werden. Die Forschungsgruppe der Universität hat dann gezeigt, dass diese miteinander verbunden werden können, um atomar dünne Membranen für Anwendungen in zweidimensionalen Transistoren und Memristoren zu bilden. Das sind Technologien, die für die Fertigung fortschrittlicherer Elektronik entscheidend sein werden. Diese Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift 'Communications Engineering' veröffentlicht.

Perfekt für 2D-Elektronik

Auf der ständigen Suche nach kleinerer, schnellerer und effizienterer Elektronik wird der letzte Schritt zu Geräten führen, die aus Materialien bestehen, die nur ein oder zwei Atome dick sind. Es ist unmöglich, dass diese Komponenten noch kleiner sind. Und aufgrund ihrer geringen Größe funktionieren sie oft viel schneller und verbrauchen viel weniger Energie.

Während ultradünne Halbleiter ausgiebig erforscht wurden, sind auch atomar dünne Isolatoren notwendig, um funktionierende elektronische Komponenten wie Transistoren und Memristoren zu konstruieren.

Atomdünne Schichten aus Kohlenstoff mit ungeordneter Atomstruktur können als hervorragende Isolatoren für den Bau zweidimensionaler Bauelemente dienen. Die an der Zusammenarbeit beteiligten Forscher haben gezeigt, dass sich solche Kohlenstoffschichten aus Kohlenstoffpunkten bilden lassen, die wiederum aus Holzkohle gewonnen werden. Um ihre Fähigkeiten zu demonstrieren, hat die von Cao geleitete Gruppe der UoI zwei Beispiele für zweidimensionale Bauelemente entwickelt.

„Es ist wirklich sehr aufregend, denn es ist das erste Mal, dass Kohle, die wir normalerweise als Low-Tech betrachten, direkt mit der Spitze der Mikroelektronik verbunden wurde“, sagte Cao.

Transistor-Dielektrikum

Caos Gruppe verwendete aus Kohle gewonnene Kohlenstoffschichten als Gate-Dielektrikum in zweidimensionalen Transistoren, die auf dem Halbmetall Graphen oder dem Halbleiter Molybdändisulfid basieren, um eine mehr als doppelt so hohe Betriebsgeschwindigkeit der Geräte bei geringerem Energieverbrauch zu ermöglichen.

Wie andere atomar dünne Materialien besitzen die aus Kohle gewonnenen Kohlenstoffschichten keine „baumelnden Bindungen“ oder Elektronen, die nicht mit einer chemischen Bindung verbunden sind.

Diese Stellen, die auf der Oberfläche herkömmlicher dreidimensionaler Isolatoren reichlich vorhanden sind, verändern deren elektrische Eigenschaften, indem sie effektiv als „Fallen“ fungieren und den Transport beweglicher Ladungen und damit die Schaltgeschwindigkeit des Transistors verlangsamen.

Im Gegensatz zu anderen atomar dünnen Materialien sind die neuen, aus Kohle gewonnenen Kohlenstoffschichten jedoch amorph, d. h., sie besitzen keine regelmäßige kristalline Struktur. Sie weisen daher keine Grenzen zwischen verschiedenen kristallinen Bereichen auf, die als Leitungsbahnen dienen und zu „Leckagen“ führen, bei denen unerwünschte elektrische Ströme durch den Isolator fließen und einen erheblichen zusätzlichen Stromverbrauch während des Betriebs der Geräte verursachen.

Memristor-Filament

Eine weitere von Caos Gruppe untersuchte Anwendung sind Memristoren - elektronische Komponenten, die Daten sowohl speichern als auch verarbeiten können und damit die Implementierung von KI-Technologien erheblich verbessern. Diese Geräte speichern und repräsentieren Daten, indem sie einen leitenden Faden modulieren, der durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Elektrodenpaar und einem dazwischenliegenden Isolator gebildet wird.

Die Forscher fanden heraus, dass die Verwendung ultradünner, aus Kohle gewonnener Kohlenstoffschichten als Isolator die schnelle Bildung eines solchen Fadens mit geringem Energieverbrauch ermöglicht, um eine hohe Betriebsgeschwindigkeit der Geräte bei geringem Stromverbrauch zu erreichen. Darüber hinaus begrenzen Ringe in atomarer Größe in diesen aus Kohle gewonnenen Kohlenstoffschichten das Filament, um die Reproduzierbarkeit der Bauelemente zu verbessern und so die Zuverlässigkeit der Datenspeicherung zu erhöhen.

Von der Forschung zur Produktion

Die von der Cao-Gruppe entwickelten neuen Bauelemente liefern den Grundsatzbeweis für die Verwendung von aus Kohle gewonnenen Kohlenstoffschichten in zweidimensionalen Bauelementen. Nun muss noch gezeigt werden, dass sich solche Bauelemente in großem Maßstab herstellen lassen.

„Die Halbleiterindustrie, einschließlich unserer Mitarbeiter bei Taiwan Semiconductor, ist an den Möglichkeiten zweidimensionaler Bauelemente sehr interessiert, und wir versuchen, diesen Anspruch zu erfüllen“, so Cao. „In den nächsten Jahren wird die UoI weiterhin mit dem NETL zusammenarbeiten, um ein Herstellungsverfahren für Kohlenstoffisolatoren auf Kohlebasis zu entwickeln, das in industriellen Umgebungen eingesetzt werden kann.“

Der Forschungsbericht mit dem Titel „Ultrathin Quasi-2D Amorphous Carbon Dielectric Prepared from Solution Precursor for Nanoelectronics“ ist online verfügbar. DOI: 10.1038/s44172-023-00141-9 (mbf)

* Henning Wriedt ist freier Fachautor.

* Henning Wriedt ist freier Fachautor.

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