Halbleiter aus Graphen macht superschnelle Chips möglich

Forschende am Georgia Institute of Technology haben erstmals praktisch brauchbares Halbleiter-Material aus Graphen hergestellt. Damit ließen sich Transistoren herstellen, die zehnmal schneller schalten als solche aus Silizium.

Graphen gilt seit seiner Entdeckung im Jahre 2004 als eine Art Wundermaterial. Nur wenige Jahre nach der Entdeckung von Graphen wurden die Physiker Konstantin Novoselov und Andre Geim dafür mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Denn Graphen glänzt mit fantastischen Werten für Festigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, sodass völlig neue Anwendungen beispielsweise in der Elektronik möglich werden sollten. Da das Material aus einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoffatomen besteht, ergeben sich diese Eigenschaften durch seine quasi-zweidimensionale Struktur. Die Forschung an Graphen inspirierte daher auch die Untersuchung weiterer zweidimensionaler Materialien.

Graphen ohne Bandlücke

Die Hoffnungen auf Graphen-Elektronik ließen sich allerdings bisher nicht erfüllen, denn in der Bandstruktur von Graphen gibt es keine Bandlücke (außer man erzeugt aus Graphen dünne, schmale Bändchen, aber die erweisen sich als zu inhomogen). Die Funktion von Feldeffekt-Transistoren, den Arbeitspferden integrierter elektronischer Schaltungen, beruht allerdings ganz wesentlich auf dieser Bandlücke – eine von außen angelegte Spannung sorgt dafür, dass das dotierte Silizium, das sich zwischen Source und Drain befindet, zwischen leitend und nichtleitend, geschaltet werden kann.

Walter de Heer und seine Kollegen gelang es nun, sogenanntes Epigraphen herzustellen. Das ist eine Graphen-Schicht, auf einem Siliziumkarbid-Wafer, die sich chemisch mit dem Siliziumkarbid verband und halbleitende Eigenschaften zeigte. Dafür entwickelten sie einen eigenen Herstellungsprozess. Technische Einzelheiten beschreiben sie in einem Aufsatz in "Nature". Siliziumkarbid wird bereits in der Halbleiter-Industrie verwendet, beispielsweise in der Leistungselektronik. Für Elektronik aus diesem Material gibt es also bereits etablierte Herstellungsprozesse.

Die Messungen des Teams an einem prototypischen Feldeffekt-Transistor ergaben, dass ihr Graphen-Halbleiter eine zehnmal höhere Mobilität als Silizium aufweist. "Das ist so, als würde man auf einer Autobahn fahren im Vergleich zu einer Schotterpiste", sagte de Heer in einer Pressemitteilung. "Es ist effizienter, erwärmt sich nicht so stark und ermöglicht höhere Geschwindigkeiten". Prozessoren aus diesem Material könnten also mit einer sehr viel höheren Taktfrequenz betrieben werden. Allerdings liegt das Verhältnis zwischen dem Strom im ein- und ausgeschalteten Zustand nur bei 10 hoch 4 – idealerweise sollte es hundert bis tausendmal größer sein. Durch Optimierung des Designs wollen die Forscher auf zehn hoch sechs kommen. In weiteren Forschungen will das Team nun daran arbeiten, integrierte Schaltungen mit diesem Material herzustellen.

(wst)