Graphenbasierter Halbleiter verfügt über eine nützliche Bandlücke und eine hohe Elektronenmobilität – Physics World

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Epigraphen auf einem Chip: Das Graphengerät des Teams wurde auf einem Siliziumkarbidsubstrat gezüchtet. (Mit freundlicher Genehmigung: Georgia Institute of Technology)

Forscher in China und den USA haben einen funktionellen Halbleiter aus Graphen geschaffen, eine Leistung, die sie als eine Premiere bezeichnen. Durch die Erweiterung bestehender Fertigungstechniken Walter de Heer und Kollegen von der Tianjin-Universität und dem Georgia Institute of Technology haben eine Bandlücke im 2D-Material entwickelt und dabei die robusten und leicht einstellbaren Eigenschaften von Graphen beibehalten.

Silizium ist das Rückgrat der modernen Halbleiterelektronik. Allerdings stoßen die neuesten siliziumbasierten Technologien durch unsere unaufhörliche Nachfrage nach höheren Rechengeschwindigkeiten, geringerem Stromverbrauch und kompakteren Geräten an ihre Grenzen.

Seit nunmehr zwei Jahrzehnten erforschen Forscher die Möglichkeit, dass Graphen eine praktische Alternative zu Silizium darstellen könnte. Graphen wurde 2004 erstmals isoliert und ist eine nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht. Seitdem haben Forscher herausgefunden, dass Graphen eine Reihe von Eigenschaften besitzt, die es für elektronische Geräte sehr nützlich machen könnten. Dazu gehören eine hohe Elektronenmobilität; eine starke, leichte und äußerst kompakte Struktur; und hervorragende Wärmeableitung.

Ein großer Nachteil

Allerdings hat Graphen einen großen Nachteil. Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitern fehlt Graphen eine intrinsische Elektronenbandlücke. Dabei handelt es sich um eine Energiebarriere, die Elektronen überwinden müssen, um Elektrizität zu leiten. Es ist die Bandlücke, die die Herstellung elektronischer Schalter (Transistoren) aus Halbleitern ermöglicht.

„Ein seit langem bestehendes Problem in der Graphen-Elektronik besteht darin, dass Graphen nicht die richtige Bandlücke hatte und nicht im richtigen Verhältnis ein- und ausgeschaltet werden konnte“, erklärt Co-Autor Lei Ma, Mitbegründer des Tianjin Internationales Zentrum für Nanopartikel und Nanosysteme mit de Heer. „Im Laufe der Jahre haben viele versucht, dieses Problem mit verschiedenen Methoden anzugehen.“

Frühere Studien haben versucht, mithilfe von Techniken wie Quanteneinschluss und der chemischen Modifikation von reinem Graphen geeignete Bandlücken zu erzeugen. Bislang waren diese Ansätze jedoch kaum erfolgreich.

„Wir mussten lernen, wie man [Graphen] behandelt, wie man es immer besser macht und schließlich, wie man seine Eigenschaften misst“, erklärt de Heer. „Das hat sehr, sehr lange gedauert.“

Spontanes Wachstum

In ihrer neuesten Forschung haben die Forscher erstmals gezeigt, wie der Bandlücken-Halbleiter „Epigraphen“ spontan auf der Oberfläche von Siliziumkarbid-Kristallen wachsen kann.

Frühere Untersuchungen hatten ergeben, dass Silizium bei hohen Temperaturen von der Oberfläche dieser Kristalle sublimiert und kohlenstoffreiche Schichten zurücklässt. Diese Schichten kristallisieren zu mehrschichtigem Epigraphen um, das begrenzte Halbleitereigenschaften aufweist.

Als Erweiterung dieser Technik hat das Team von de Heer und Ma eine neue Tempermethode entwickelt, bei der sie die Probentemperatur und die Geschwindigkeit der Epigraphenbildung sorgfältig kontrollierten. Sie schufen eine robuste Graphenschicht, die in makroskopischen, atomar flachen Terrassen wächst. Darüber hinaus sind die Graphenatome am Gitter des Siliziumkarbid-Substrats ausgerichtet.

Nützliche Bandlücke

Durch sorgfältige Messungen zeigte das Team, dass es sich bei dieser Schicht um einen hervorragenden 2D-Halbleiter handelt. Es verfügt über die nützliche Bandlücke, die den Forschern jahrzehntelang entgangen ist, sowie über eine hohe Elektronenmobilität.

Graphenbänder bringen Twistronics voran

„Wir haben jetzt einen extrem robusten Graphen-Halbleiter mit der zehnfachen Mobilität von Silizium und der zudem einzigartige Eigenschaften aufweist, die Silizium nicht bietet“, schwärmt de Heer. Er vergleicht die Elektronenmobilität in Silizium mit dem Fahren auf einer Schotterstraße, während das Epigraphen einer Elektronenautobahn gleicht. „Es ist effizienter, es erwärmt sich nicht so stark und es ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, sodass sich die Elektronen schneller bewegen können“, erklärt de Heer.

Zusätzlich zu dieser Leistung zeigte das Team auch, dass ihr Epigraphen mit einer Vielzahl von Atomen und Molekülen dotiert werden kann, um seine elektronischen und magnetischen Eigenschaften zu optimieren. Das Material kann auch mit einer Nanostruktur versehen werden, um seine Leistung weiter zu verbessern – eine Nanostrukturierung ist mit auf anderen Substraten gewachsenem Graphen nur sehr schwer möglich.

De Heer, Ma und ihre Kollegen hoffen, dass ihre Technik den Weg für einen völlig neuen Ansatz in der Halbleiterfertigung ebnen könnte und letztendlich ein entscheidender erster Schritt in Richtung einer neuen Generation graphenbasierter Elektronik sein könnte.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.