Graphen in Mikroelektronik besser als Silizium

Forscher am Georgia Institute of Technology (GaTech) haben möglicherweise den Nachfolger von Silizium in der Halbleitertechnik gefunden: epitaktisches Graphen. Die auch als Epigraphen bezeichnete Graphenschicht bildet sich spontan auf einem Siliziumkarbidkristall, ein Halbleiter aus der Hochleistungselektronik.

«Es war von Anfang an klar, dass Graphen viel stärker miniaturisiert werden kann als Silizium, sodass viel kleinere Geräte möglich werden. Gleichzeitig bietet es weit höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten, und es entsteht weniger nutzlose Wärme», so GaTech-Forscher Walter de Heer. Prinzipiell liessen sich somit mehr Bauelemente auf einem einzigen Chip aus Graphen verpacken als beim Einsatz von Silizium. Die Technologie sei zudem kompatibel mit der konventionellen Mikroelektronikfertigung, eine Notwendigkeit für jede praktikable Alternative zu Silizium.

Um die neue Nanoelektronik-Plattform zu schaffen, haben die Forscher eine modifizierte Form von Epigraphen auf einem Siliziumkarbid-Kristallsubstrat entworfen. In Zusammenarbeit mit Forschern des Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems an der University of Tianjin haben die Wissenschaftler Siliziumkarbid-Chips in Elektronikqualität hergestellt. Das Graphen hat de Heers im Labor an der Georgia Tech in neu entwickelten Öfen erzeugt.

Die Forscher haben die Elektronenstrahllithografie genutzt. Das ist eine Methode, die in der Mikroelektronik häufig verwendet wird, um Nanostrukturen ins Graphen zu schreiben und ihre Kanten mit den Siliziumkarbid-Chips zu verschweissen. Dieser Prozess stabilisiert und versiegelt mechanisch die Kanten des Graphens, die sonst mit Sauerstoff und anderen Gasen reagieren und den Chip zerstören würden.

Die elektrischen Ladungen, die das Team an den Graphen-Rändern beobachten konnte, ähneln Photonen in einer optischen Faser, die sich über Zehntausende von Nanometern ohne Streuung bewegen. Das heisst, der gesamte Strom ist für die Arbeit der künftigen Chips nutzbar. Graphenelektronen in früheren Technologien konnten nur etwa zehn Nanometer zurücklegen, bevor sie auf kleine Unvollkommenheiten stiessen und in verschiedene Richtungen streuten.