Silizium-Nachfolger: Forscher entwickeln praxistauglichen Graphen-Halbleiter
Walter de Heer hat den Großteil seiner Forscherkarriere einem Ziel gewidmet: Graphen als Halbleitermaterial praktisch nutzbar zu machen. Nach über 20 Jahren ist ihm das mit seinem Team am Georgia Institute of Technology in Atlanta und Kollegen der Universität Tianjin in China gelungen: In einer Veröffentlichung im Fachmagazin Nature(öffnet im neuen Fenster) (Preprint bei Arxiv(öffnet im neuen Fenster)) präsentieren sie den ersten praxistauglichen Graphen-Halbleiter.
Das Material gilt weithin als große Hoffnung der Elektronikindustrie, auch gab es bereits zahlreiche Versuche, es als Halbleiter zu nutzen. Als aussichtsreich erwiesen hat sich epitaxial auf einem Siliziumkarbid-Wafer (SiC) aufgewachsenes Graphen, kurz Epigraphen. Das entsteht, wenn bei hohen Temperaturen Silizium aus dem Ausgangsmaterial sublimiert(öffnet im neuen Fenster).
Hierbei bilden die Kohlenstoffatome, anders als beim Graphen, keine große Fläche. Die bleiben teilweise an die darunterliegenden Siliziumatome gebunden, wodurch schmale Graphenstreifen entstehen. Die machen aus dem Halbmetall Graphen einen Halbleiter mit 0,6 eV Bandabstand. Die praktische Nutzung scheiterte bislang allerdings daran, ausreichend große und defektfreie Stücke des Epigraphens zu züchten.
Ein spezieller Ofen ist die Lösung
Das gelang de Heer und Kollegen mit einem über Jahre entwickelten Prozess. In einem Induktionsofen werden in einem Tiegel aus Graphit zwei übereinanderliegende kleine Stücke eines SiC-Wafers erhitzt. Angeordnet sind sie so, dass die Siliziumatome des oberen Wafer den Kohlenstoffatomen des unteren Wafer gegenüberliegen. Nach etwa zweieinhalbstündigem Erhitzen auf bis zu 1.600° C in einer Argon-Atmosphäre hat sich auf dem oben liegenden Wafer eine Schicht Epigraphen gebildet.
Bearbeiten lässt sich das Epigraphen mit gängigen Methoden der Halbleiterfertigung: Transistoren werden mittels Maske strukturiert, nicht maskierte Teile anschließend abgelöst. Anders als bei Siliziumhalbleitern kann das Epigraphen zudem genutzt werden, um Transistoren zu verbinden: Durch Interkalation(öffnet im neuen Fenster), das gezielte Einbringen von Fremdatomen, in diesem Fall Wasserstoff, lassen sich die verbliebenen Bindungen zwischen Silizium und Kohlenstoff aufbrechen. Die Kohlenstoffatome verbinden sich dann zu Graphen.
Bereit für die industrielle Fertigung sind Graphen-Transistoren damit aber noch nicht: Auch de Heers Team konnte lediglich einige 100 Mikrometer große, einheitliche Epigraphen-Schichten züchten. Zwar fanden die Forscher keine Verunreinigungen mit Graphen, doch stellenweise bleiben Inseln aus SiC stehen. Zudem arbeiten die Forscher bislang lediglich mit 3,5 x 4,5 mm großen SiC-Plättchen. Sie sind aber überzeugt, dass durch ein optimiertes Wachstumsverfahrens auch ganze Wafer mit einer gleichmäßigen Epigraphen-Schicht bewachsen können.
Die elektrischen Parameter der gefertigten Transistoren überzeugen bereits: Mit einer gemessenen Elektronenbeweglichkeit von bis zu 5.500 cm2V-1s-1 übertreffen sie nach Angaben der Forscher Silizium um das Zehnfache, andere als Halbleiter untersuchte 2D-Materialen gar um das Zwanzigfache. Damit könnten sie schneller und mit geringerer Verlustleistung schalten.
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