Forschungserfolg Durchbruch: Erster funktionaler Halbleiter aus Graphen

Anbieter zum Thema

Georgia State University

FAULHABER Antriebssysteme

ET System electronic GmbH

MEV Elektronik Service GmbH

Am Georgia Institute of Technology wurde ein jahrzehntealtes Problem des "Wundermaterials" Graphen überwunden und der erste funktionale Halbleiter aus diesem Material vorgestellt. Das könnte sich als wegweisend für Quantencomputing herausstellen.

Graphen wird vielerorts als Wundermaterial bezeichnet, da es unter anderem außergewöhnlich fest und gleichzeitig leicht und flexibel ist.  Es besitzt eine Zugfestigkeit, die mehrere Male höher ist als die von Stahl. Und aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit wird Graphen als potenzieller Ersatz für herkömmliche Siliziumtransistoren in der Elektronikfertigung erforscht.

Allerdings ist Graphen in seiner natürlichen Form weder ein Metall noch ein Halbleiter, sondern ein Halbmetall, wie die Forschenden vom Georgia Institute of Technology in ihrem Bericht zum ihrem ersten Graphen-Halbleiter festhalten. Und wegen der fehlenden, sogenannten Band Gap, verfügte das Material bislang nicht über die Eigenschaft, sich an- und abzuschalten.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 6 Bildern

Die Hauptfrage in der Forschung war also, wie man es ein- und ausschalten kann, damit es wie Silizium funktioniert. Das Team rund um Walter de Heer, Professor für Physik bei Georgia Tech, das aus Forschenden aus Atlanta, Georgia und Tianjin, China besteht, gelang es, einen Graphen-Halbleiter zu produzieren, der mit herkömmlichen Verarbeitungsmethoden der Mikroelektronik kompatibel ist.

Epitaktisches Graphen hergestellt

Wie also dem Graphen eine Band Gap hinzufügen, damit das Material überhaupt als Halbleiter funktionieren kann? „De Heer erzielte einen Durchbruch, als er und sein Team herausfanden, wie man Graphen auf Siliziumkarbid-Wafern mithilfe spezieller Öfen züchten kann“, so wird erklärt.

„Sie produzierten epitaktisches Graphen, das aus einer einzigen Schicht besteht und auf einer Kristallfläche des Siliziumkarbids wächst. Das Team stellte fest, dass, wenn es ordnungsgemäß hergestellt wurde, das epitaktische Graphen eine chemische Bindung mit dem Siliziumkarbid einging und begann, halbleitende Eigenschaften zu zeigen.“

Um einen funktionalen Transistor herzustellen, muss halbleitendes Material stark manipuliert werden, was sich wiederum negativ auf seine Eigenschaften auswirken kann. Weil die Forschenden allerdings Atome auf das Graphen setzten, um Elektronen zu „spenden“, die sogenannte Dotierung, konnte festgestellt werden, dass das Material ein guter Leiter ist, ohne dass seine Eigenschaften beeinträchtigt wurden.

Vielmehr noch: Das Team stellte fest, dass der Graphen-Halbleiter eine zehnmal höhere Mobilität als Silizium aufweist; die Elektronen bewegen sich mit geringerem Widerstand, was wiederum mehr Rechenleistung bedeutet. „Es ist wie das Fahren auf einer Schotterstraße im Vergleich zum Fahren auf einer Autobahn“, sagt de Heer. „Es ist effizienter, erhitzt sich nicht so sehr und ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, damit die Elektronen schneller bewegt werden können.“

Neue Technologien möglich

Epitaktisches Graphen, so ist sich das Team um de Heer einig, könnte eine grundlegende Veränderung im Feld der Elektronik bedeuten, denn neuartige Technologien könnten auf Basis der Eigenschaften des Materials entwickelt werden. Insbesondere für Quantencomputer könnten Graphen-Halbleiter interessant sein

Die Arbeit des Teams wurde Anfang 2024 im renommierten Nature-Magazin veröffentlicht. Darin zeigen die Forschenden, dass das halbleitende Epigraphen (SEG) auf einkristallinen Siliziumkarbid-Substraten eine Bandlücke von 0,6 eV und Raumtemperaturbeweglichkeit von mehr als 5.000 cm² V−1 s−1 aufweist. Das ist zehnmal größer als die von Silizium und zwanzigmal größer als die der anderen zweidimensionalen Halbleiter. (sb)

Durchbruch in Studie

Nichtlinearer Schaltkreis gewinnt saubere Energie aus Graphen

Forschung

Geheimnisvolles Graphen: „Multiferroischer“ Zustand entdeckt

(ID:49872898)