Hochleistungselektronik Graphen könnte Silizium in der Mikroelektronik ersetzen

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Forscher am Georgia Institute of Technology haben möglicherweise den Nachfolger von Silizium in der Halbleitertechnik gefunden: epitaktisches Graphen. Die auch als Epigraphen bezeichnete Graphenschicht bildet sich spontan auf einem Siliziumkarbidkristall, ein Halbleiter aus der Hochleistungselektronik.

Claire Berger, Physikprofessorin an der Georgia Tech, hält das auf einem Siliziumkarbid-Substratchip gewachsene Graphenbauteil des Teams.
Claire Berger, Physikprofessorin an der Georgia Tech, hält das auf einem Siliziumkarbid-Substratchip gewachsene Graphenbauteil des Teams.
(Bild: Jess Hunt-Ralston, Georgia Tech)

Eine vordringliche Aufgabe auf dem Gebiet der Nanoelektronik ist die Suche nach einem Material, das Silizium ersetzen könnte. Graphen schien jahrzehntelang vielversprechend. Sein Potenzial ist jedoch ins Stocken geraten. Da Silizium in Sachen Geschwindigkeit nahezu ausgereizt ist, wird die nächste große Nanoelektronikplattform jetzt mehr denn je benötigt.

Walter de Heer, Professor an der School of Physics des Georgia Institute of Technology, hat einen entscheidenden Schritt nach vorn getan, um einen Nachfolger für Silizium zu finden. De Heer und seine Mitarbeiter entwickelten eine neue Nanoelektronik-Plattform auf der Grundlage von Graphen – einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoffatomen. Die Technologie ist mit der konventionellen Mikroelektronikfertigung kompatibel, was eine Voraussetzung für jede brauchbare Alternative zu Silizium ist. Im Zuge seiner Forschungsarbeiten hat das Team möglicherweise auch ein neues Quasi-Teilchen entdeckt. Diese Entdeckung könnte zur Herstellung kleinerer, schnellerer, effizienterer und nachhaltigerer Computerchips führen und hat potenzielle Auswirkungen auf die Quanten- und Hochleistungsinformatik.

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„Die Stärke von Graphen liegt in seiner flachen, zweidimensionalen Struktur, die durch die stärksten bekannten chemischen Bindungen zusammengehalten wird,“ so de Heer. „Es war von Anfang an klar, dass Graphen viel stärker miniaturisiert werden kann als Silizium – es ermöglicht viel kleinere Geräte, die gleichzeitig mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten und viel weniger Wärme produzieren. Das bedeutet, dass im Prinzip mehr Geräte auf einen einzigen Graphen-Chip gepackt werden können als mit Silizium.“

Bereits 2001 schlug de Heer eine alternative Form der Elektronik vor, die auf epitaktischem Graphen oder Epigraphen basiert – einer Graphenschicht, die sich spontan auf einem Siliziumkarbidkristall, einem in der Hochleistungselektronik verwendeten Halbleiter, bildet. Damals fanden die Forscher heraus, dass elektrische Ströme ohne Widerstand entlang der Epigraphenkanten fließen und dass Graphen-Bauteile nahtlos ohne Metalldrähte miteinander verbunden werden können. Diese Kombination ermöglicht eine Elektronik, die sich die einzigartigen lichtähnlichen Eigenschaften der Graphenelektronen zunutze macht.

„Quanteninterferenz wurde in Kohlenstoffnanoröhren bei niedrigen Temperaturen beobachtet, und wir erwarten, dass wir ähnliche Effekte in Epigraphenbändern und -netzwerken sehen werden“, sagte de Heer. „Diese wichtige Eigenschaft von Graphen ist bei Silizium nicht möglich.“

Aufbau der Plattform

Um die neue Nanoelektronik-Plattform zu schaffen, entwickelten die Forscher eine modifizierte Form von Epigraphen auf einem Siliziumkarbid-Kristallsubstrat. In Zusammenarbeit mit Forschern des Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems an der Universität Tianjin, China, stellten sie einzigartige Siliziumkarbidchips aus Siliziumkarbidkristallen in Elektronikqualität her. Das Graphen selbst wurde im Labor von de Heer an der Georgia Tech in patentierten Öfen gezüchtet.

Die Forscher nutzten die Elektronenstrahllithographie, eine in der Mikroelektronik übliche Methode, um die Graphen-Nanostrukturen einzuritzen und ihre Kanten mit den Siliziumkarbidchips zu verschweißen. Dieser Prozess stabilisiert und versiegelt die Graphenkanten mechanisch, die sonst mit Sauerstoff und anderen Gasen reagieren würden, die die Bewegung der Ladungen entlang der Kante stören könnten.

Zur Messung der elektronischen Eigenschaften der Graphenplattform verwendete das Team schließlich eine Tieftemperaturapparatur, mit der die Eigenschaften von einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt bis zur Raumtemperatur aufgezeichnet werden können.

Beobachtung des Randzustands

Die elektrischen Ladungen, die das Team im Randzustand von Graphen beobachtete, ähnelten den Photonen in einer optischen Faser, die sich über große Entfernungen ohne Streuung fortbewegen können. Sie fanden heraus, dass die Ladungen über Zehntausende von Nanometern entlang der Kante reisten, bevor sie gestreut wurden. Bei früheren Technologien konnten Graphenelektronen nur etwa 10 nm zurücklegen, bevor sie auf kleine Unebenheiten trafen und in verschiedene Richtungen gestreut wurden.

„Das Besondere an den elektrischen Ladungen an den Kanten ist, dass sie an der Kante verbleiben und sich mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen, auch wenn die Kanten nicht perfekt gerade sind“, so Claire Berger, Physikprofessorin an der Georgia Tech und Forschungsleiterin am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Grenoble, Frankreich.

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In Metallen werden elektrische Ströme von negativ geladenen Elektronen getragen. Entgegen den Erwartungen der Forscher deuteten ihre Messungen jedoch darauf hin, dass die Randströme nicht von Elektronen oder Löchern (ein Begriff für positive Quasiteilchen, die die Abwesenheit eines Elektrons anzeigen) getragen wurden. Vielmehr wurden die Ströme von einem höchst ungewöhnlichen Quasiteilchen getragen, das keine Ladung und keine Energie hat und sich dennoch ohne Widerstand bewegt. Die Komponenten des hybriden Quasiteilchens bewegten sich auf gegenüberliegenden Seiten der Graphenkanten, obwohl es sich um ein einziges Objekt handelt.

Die einzigartigen Eigenschaften deuten darauf hin, dass es sich bei dem Quasiteilchen um eines handeln könnte, das Physiker seit Jahrzehnten zu nutzen hoffen – das schwer fassbare Majorana-Fermion, das der italienische theoretische Physiker Ettore Majorana 1937 vorhergesagt hat. „Die Entwicklung von Elektronik, die dieses neue Quasiteilchen in nahtlos miteinander verbundenen Graphen-Netzwerken nutzt, ist bahnbrechend“, so de Heer.

Laut de Heer wird es wahrscheinlich noch fünf bis zehn Jahre dauern, bis die erste Elektronik auf Graphenbasis möglich sein wird. Aber dank der neuen epitaktischen Graphen-Plattform des Teams ist die Technologie näher denn je an der Krönung von Graphen als Nachfolger von Silizium.

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