Chinesische und US-amerikanische Forscher entwickeln neuartigen Halbleiter-Graphen

Forscher aus China und den USA haben gemeinsam eine neue Art von stabilem Halbleiter-Graphen entwickelt, dessen Leistung zehnmal höher ist als die von Silizium und 20-mal höher als die anderer zweidimensionaler Halbleiter.

Die Errungenschaft markiere den Sprung von Siliziumchips zu Kohlenstoffchips, so Ma Lei, Leiter der Forschung am Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems (TICNN) an der Universität Tianjin.

Das Erfolgsprojekt von Ma's Team und Forschern der School of Physics des Georgia Institute of Technology in den USA wurde am 3. Januar 2024 online auf der Website der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Da sich siliziumbasierte Chips allmählich der physikalischen Grenze von zwei Nanometern nähern, steigt die weltweite Nachfrage nach hochwertigen Halbleitermaterialien. Zweidimensionale Materialien haben sich aufgrund ihrer hervorragenden elektronischen Transporteigenschaften zu einem neuen Gebiet entwickelt, in das Wissenschaftler und Halbleiterunternehmen auf der ganzen Welt investieren.

Graphen, das erste entdeckte zweidimensionale Material, das stabil bei Raumtemperatur existieren kann, steht seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 im Mittelpunkt, um neue Arten von Chips zu entwickeln. Die einzigartigen Dirac-Konen von Graphen führen jedoch zu seiner „Null-Bandlücke“-Eigenschaft, die das größte Hindernis für seine Anwendung im Halbleiterbereich darstellt.

Durch die präzise Steuerung des epitaktischen Wachstumsprozesses von Graphen konnte Ma's Team eine Bandlücke in Graphen einführen und so eine neue Art von stabilem Halbleitergraphen schaffen, dessen Elektronenbeweglichkeit die von Siliziummaterialien weit übertrifft.

„Wir haben vor allem eine spezielle Wachstumsumgebung und Wachstumsbedingungen angewandt, um Graphen selbst mit Hilfe von SiC-Kristallen zu modulieren und so die Öffnung einer Bandlücke in Graphen zu erreichen. Dies verwandelt das ursprünglich lückenlose Graphen in ein Material mit einer Bandlücke“, erklärte Ma. Das Team habe einen echten einkristallinen Graphen-Halbleiter geschaffen.

Die Entwicklung dieses Halbleiters ebnet nicht nur den Weg für leistungsfähige elektronische Geräte, die die traditionellen Technologien auf Siliziumbasis übertreffen, sondern gibt auch der gesamten Halbleiterindustrie neue Impulse. Da die vom Mooreschen Gesetz vorhergesagten Grenzen immer näher rücken, läutet das Aufkommen des Halbleiters Graphen einen grundlegenden Wandel im Bereich der Elektronik ein. Ob Graphen-Halbleiter jedoch zu einem Durchbruch in der Chipindustrie führen können, müsse sich erst noch erweisen, so Ma.

Auf die Frage, wie weit die Errungenschaft noch von der Industrialisierung entfernt ist, sagte Ma, er könne dies derzeit nicht vorhersagen. In einem Bericht von yicai.com vom 4. Januar wurde sagte Ma: „Ich schätze, dass es noch zehn bis 15 Jahre dauern wird, bis Graphen-Halbleiter wirklich vollständig eingesetzt werden können.“

Das Team arbeite jetzt daran, Graphen-Halbleiter-Einkristalle in größeren Dimensionen zu züchten.

Um die Entwicklung von Halbleitern weiter voranzutreiben, suchen Länder und Regionen auf der ganzen Welt aktiv nach neuen Materialien und Paradigmen zusätzlich zu zweidimensionalen Materialien.

Im November 2023 beantragten Huawei und das Harbin Institute of Technology gemeinsam eine hybride Bindungsmethode für dreidimensionale integrierte Chips auf der Basis von Silizium und Diamant.

Im September 2023 berichtete die japanische Nachrichtenagentur Nikkei, dass das japanische Startup-Unternehmen OOKUMA die Kommerzialisierung von Diamant-Halbleitern plant und bereits im Geschäftsjahr 2026 mit der Produktion beginnen wird.

Ma zufolge hat sich die Intensivierung des Wettbewerbs zwischen China und den USA im Bereich der Halbleitertechnik auf die Zusammenarbeit zwischen den wissenschaftlichen Teams beider Länder ausgewirkt. Insgesamt sei die Zusammenarbeit zwischen den beiden Teams jedoch sehr fruchtbar gewesen.

„Ein gesunder Wettbewerb ist ein wichtiger Entwicklungsfaktor, während ein bösartiger Wettbewerb die Entwicklung der Technologie behindert“, so Ma.