Der Graphen-Halbleiter wird epitaktisch auf SiC-Substraten hergestellt. (Bild: Georgia Institute of Technology)
Die Entdeckung der Forscher kommt zu einer Zeit, in der Silizium, das Material, aus dem fast alle aktuellen elektronischen Geräte hergestellt werden, angesichts immer schnellerer Computer und kleinerer elektronischer Geräte an seine Grenzen stößt. Walter de Heer, Regents Professor für Physik an der Georgia Tech, leitete ein Team von Forschern in Atlanta, Georgia, und Tianjin, China, um einen Graphen-Halbleiter herzustellen, der mit konventionellen mikroelektronischen Verarbeitungsmethoden kompatibel ist – eine Notwendigkeit für jede brauchbare Alternative zu Silizium.
In dieser neuen, in Nature veröffentlichten Forschungsarbeit überwanden de Heer und sein Team die größte Hürde, die die Graphenforschung seit Jahrzehnten plagt und der Grund dafür ist, dass viele dachten, Graphenelektronik würde niemals funktionieren. Die so genannte „Bandlücke“ ist eine entscheidende elektronische Eigenschaft, die es Halbleitern ermöglicht, sich ein- und auszuschalten. Graphen hatte keine Bandlücke – bis jetzt. „Wir haben jetzt einen extrem robusten Graphen-Halbleiter mit der zehnfachen Mobilität von Silizium, der außerdem einzigartige Eigenschaften hat, die Silizium nicht hat“, so de Heer. „Aber die Geschichte unserer Arbeit in den letzten zehnt Jahren war: Können wir dieses Material so gut machen, dass es funktioniert?“
Graphen als neue Art von Halbleiter
„Wir waren von der Hoffnung beseelt, drei besondere Eigenschaften von Graphen in die Elektronik einbringen zu können“, sagt de Heer. „Es ist ein extrem robustes Material, das sehr große Ströme verarbeiten kann, ohne sich zu erhitzen und auseinanderzufallen.“
De Heer gelang ein Durchbruch, als er und sein Team herausfanden, wie man Graphen auf Siliziumkarbid-Wafern in speziellen Öfen wachsen lassen kann. Sie stellten epitaktisches Graphen her, d. h. eine einzelne Schicht, die auf einer Kristallfläche des Siliziumkarbids wächst. Das Team stellte fest, dass sich das epitaktische Graphen bei richtiger Herstellung chemisch mit dem Siliziumkarbid verband und erste halbleitende Eigenschaften zeigte.
Um jedoch einen funktionierenden Transistor herzustellen, muss ein halbleitendes Material stark manipuliert werden, was seine Eigenschaften beeinträchtigen kann. Die Forscher dotierten das Material, damit es eine bessere elektrische Leitfähigkeit bekam. Dies war möglich, ohne dabei das Material zu beschädigen. Die Messungen des Teams ergaben, dass ihr Graphen-Halbleiter eine zehnmal höhere Mobilität aufweist als Silizium. Mit anderen Worten: Die Elektronen bewegen sich mit sehr geringem Widerstand, was sich in der Elektronik in einer schnelleren Rechenleistung niederschlägt. Das Produkt des Teams ist derzeit der einzige 2D-Halbleiter, der alle notwendigen Eigenschaften für den Einsatz in der Nanoelektronik aufweist, und seine elektrischen Eigenschaften sind allen anderen 2D-Halbleitern, die derzeit entwickelt werden, überlegen.
Forscher des Georgia Tech schaffen ersten funktionalen Graphen-Halbleiter
Wie geht es mit dem Graphen-Halbleiter weiter?
Epitaktisches Graphen könnte tatsächlich einen Paradigmenwechsel im Bereich der Elektronik bewirken. Das Material ermöglicht es, die quantenmechanischen Welleneigenschaften von Elektronen zu nutzen, was eine Voraussetzung für Quantencomputer ist. „Unsere Motivation für die Graphenelektronik war schon lange vorhanden, der Rest war nur noch die Umsetzung“, sagte de Heer. „Wir mussten lernen, wie man das Material behandelt, wie man es immer besser macht und wie man schließlich die Eigenschaften misst. Das hat sehr, sehr lange gedauert.“ Auch die Physikerin und Wissenschaftsjournalistin Sabine Hossenfelder geht in ihrem Video darauf ein, dass die einzigartige Leitfähigkeit von Graphen als Quasi-Metall zu bedeutenden Fortschritten in logischen Elementen und elektronischen Geräten führen könnte.