Grafeenhalfgeleiders – zijn ze eindelijk hier?

Tegenwoordig voeden halfgeleiders de moderne wereld. Ze vormen de ruggengraat van elektronische apparaten, en een ontdekking heeft tot doel de elektronische industrie substantieel te transformeren. 

Ook wel microchips of geïntegreerde schakelingen (IC's) genoemd, halfgeleiders zijn materialen met een elektrische geleidbaarheid die ligt tussen die van geleiders zoals aluminium en koper en isolatoren zoals keramiek en glas.

Halfgeleiders zijn gevoelig voor licht en warmte, en hun weerstand varieert. De soortelijke weerstand van een halfgeleider neemt af naarmate de temperatuur stijgt, in tegenstelling tot hoe metalen zich gedragen.

Enkele voorbeelden van halfgeleiders zijn silicium en germanium, dit zijn pure elementen die gemakkelijk in de natuur te vinden zijn. Dan zijn er verbindingen zoals cadmiumselenide en galliumarsenide. Om de geleidbaarheid of eigenschappen van materialen te veranderen, worden kleine hoeveelheden onzuiverheden aan zuivere halfgeleiders toegevoegd via een proces dat doping wordt genoemd.

Dus, afhankelijk van hun zuiverheid, worden halfgeleiders geclassificeerd in: intrinsieke halfgeleiders, dit zijn natuurlijke materialen gemaakt uit één enkel type atoom en die rechtstreeks in apparaten kunnen worden gebruikt, en extrinsieke halfgeleiders, die eerst moeten worden gedoteerd voordat ze in apparaten kunnen worden gebruikt. apparaten. Het transformeren van intrinsieke halfgeleiders brengt twee soorten extrinsieke halfgeleiders met zich mee: N-type of donoren en P-type of acceptoren.

Halfgeleiders worden gebruikt voor diodes, die wisselstroom omzetten in directe transistors of stroomversterkers, en elektronische circuits, die essentieel zijn bij de vervaardiging van verschillende soorten elektronische apparaten.

Met halfgeleiders hebben we het voordeel dat er geen filamenten zijn. Als zodanig hoeven ze niet te worden verwarmd om elektronen uit te zenden. Dit betekent ook dat halfgeleiders direct kunnen worden bediend. Bovendien zijn ze klein van formaat; Daarom zijn ze compact, draagbaar en gebruiken ze minder stroom. Bovendien zijn halfgeleiders niet erg duur.

Halfgeleiders zijn een integraal onderdeel van ons leven, want zonder halfgeleiders zouden er geen tv, radio, computers, smartphones, auto's, koelkasten en videogames zijn. Halfgeleiders maken in principe de creatie mogelijk van kleine schakelaars die kunnen worden in- en uitgeschakeld om de elektriciteitsstroom te regelen, omdat deze elektriciteit die door elektrische circuits stroomt ervoor zorgt dat elektronische apparaten kunnen functioneren.

Dit maakt halfgeleiders tot een essentieel onderdeel van elektronische apparaten om vooruitgang mogelijk te maken op het gebied van computers, communicatie, gezondheidszorg, transport, schone energie, defensie, apparaten, gaminghardware en vele andere toepassingen.

De afgelopen decennia hebben ontwikkelingen in de halfgeleidertechnologie deze elektronische apparaten niet alleen kleiner gemaakt, maar ook sneller, geavanceerder, compatibeler en betrouwbaarder.

Bedrijven die met halfgeleiders werken, organiseren hun activiteiten doorgaans rond ontwerp of productie. Degenen die zich richten op ontwerp worden 'fabless'-bedrijven genoemd, terwijl degenen die zich alleen op productie richten 'gieterijen' worden genoemd, en degenen die beide doen, worden Integrated Device Manufacturers of IDM's genoemd.

De afgelopen jaren heeft er een halfgeleidercrisis plaatsgevonden. Sinds eind 2020, na de pandemie en de lockdowns, toen de vraag naar elektronische apparaten enorm steeg, is er wereldwijd een tekort aan microchips en elektronische schakelingen. 

Terwijl online lessen, werken op afstand en de toenemende digitalisering een enorme groei van de vraag naar elektronische apparaten veroorzaakten, hebben nieuwe technologische ontwikkelingen geleid tot disruptieve technologieën zoals AI, VR, 5G, big data en clouddiensten die de situatie verder hebben verergerd. 

Als reactie hierop investeren bedrijven over de hele wereld enorme hoeveelheden middelen om een ​​oplossing voor het probleem te vinden. 

Een grote ontdekking: de eerste functionele grafeenhalfgeleider 

Galliumarsenide is een populaire halfgeleider die wordt gebruikt in zonnecellen, laserdiodes en geïntegreerde schakelingen met microgolffrequentie. De meest voorkomende halfgeleider die tegenwoordig wordt gebruikt, is echter silicium, dat een cruciale rol speelt bij het vervaardigen van de meeste elektronische schakelingen. Maar het materiaal bereikt zijn limiet: het vereist een grote hoeveelheid energie, waardoor wetenschappers bezig zijn met het vinden van een alternatief.

En er is nog een element, grafeen, dat niet als halfgeleider wordt beschouwd, maar kan worden gebruikt om chips en circuits te maken. Het is een zeer geleidend materiaal dat de warmte zeer effectief afvoert, waardoor de prestaties van elektronische componenten worden verbeterd. Het heeft ook een superieure snelheid en energie-efficiëntie vergeleken met silicium zonder dat er grote hoeveelheden energie voor nodig zijn, waardoor het uiterst nuttig is om te gebruiken bij het maken van elektronica.

Grafeen is een extreem dun materiaal, een laag koolstof van slechts één atoom dik, gerangschikt in zeshoeken, en vormt de basis voor grafiet. Ondanks dat het het dunste materiaal is dat de mens kent, is het zeer sterk (ongeveer 200 keer sterker dan staal) en flexibel. 

Om nog maar te zwijgen van het feit dat dit enkele vel koolstofatomen een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit is en over een aantal interessante lichtabsorptievermogens beschikt. Daarom heeft dit materiaal het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in vele toepassingen, waaronder sensoren, zonnecellen, batterijen en meer.

Het materiaal is echter niet zonder problemen, waaronder de uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid van grafeen, waardoor het moeilijk te gebruiken is als halfgeleider. Het heeft dus een bandgap nodig, waardoor halfgeleiders kunnen worden in- en uitgeschakeld, die het normaal gesproken niet heeft. Om bandgap in grafeen te introduceren, hebben wetenschappers grafeen in specifieke vormen vervaardigd of andere 2D-materialen gebruikt die een inherente bandgap met het materiaal hebben, maar er niet in zijn geslaagd levensvatbaar halfgeleidend grafeen te produceren. 

Terwijl wetenschappers met grafeen werken, is er onlangs een doorbraak bereikt waarbij onderzoekers de eerste functionele grafeenhalfgeleider hebben gedemonstreerd, wat betekent dat de wereld van computers en elektronica voor altijd zal veranderen. Dit werd bereikt door de hindernis te overwinnen die het onderzoek naar grafeen jarenlang hinderde, door de juiste bandafstand te hebben die in de juiste verhouding kon worden in- en uitgeschakeld – wat een cruciale fase vormde in het werkelijkheid maken van op grafeenchips gebaseerde elektronica.

De grafeenhalfgeleider met bandafstand is niet alleen functioneel, maar kan ook worden geïntegreerd in bestaande productieprocessen. Gepubliceerd in Nature in de eerste week van 2024, de studie toonde een functionele grafeenhalfgeleider die kan worden gebruikt in de nano-elektronica.

Hiervoor leidde Walter de Heer, hoogleraar natuurkunde aan het Georgia Institute of Technology, een onderzoeksgroep en werkte samen met de Chinese Tianjin Universiteit. En hij zei:

“We hebben nu een extreem robuuste grafeenhalfgeleider met tien keer de mobiliteit van silicium, en die ook unieke eigenschappen heeft die niet beschikbaar zijn in silicium. Maar het verhaal van ons werk van de afgelopen tien jaar was: ‘Kunnen we ervoor zorgen dat dit materiaal goed genoeg is om te werken?'”

In het begin van zijn carrière begon De Heer met het onderzoeken van op koolstof gebaseerde materialen als potentiële halfgeleiders, waarna hij ruim twintig jaar geleden overging op 2D-grafeen. Het team werd “gemotiveerd door de hoop drie speciale eigenschappen van grafeen in de elektronica te introduceren”: een extreem robuust materiaal, het vermogen om zeer grote stromen aan te kunnen, en dat zonder opwarming en uit elkaar vallen.

De doorbraak werd bereikt toen het team ontdekte hoe grafeen kon groeien op siliciumcarbidewafels – die worden gebruikt in elektronische apparaten en een efficiënte omzetting van energie mogelijk maken – door gebruik te maken van gespecialiseerde ovens en een speciaal verwarmings- en koelproces. 

Dit leidde tot epitaxiaal grafeen, een laag die groeit op het kristalvlak van siliciumcarbide (een harde kristallijne verbinding die silicium en koolstof bevat), die, indien op de juiste manier gemaakt, chemisch bindt aan het siliciumcarbide en halfgeleidende eigenschappen vertoont.

Om een ​​functionele transistor te maken, moet het team ervoor zorgen dat de eigenschappen ervan niet worden beschadigd wanneer het halfgeleidende materiaal wordt gemanipuleerd om als functionele transistor te werken. Hiervoor moest het team eerst kijken of het materiaal een goede geleider was en daarvoor de dopingtechniek gebruiken, en dat werkte zonder het materiaal of de eigenschappen ervan te beschadigen. 

De overgang naar de siliciumcarbidewafels is volgens De Heer “redelijk haalbaar.” Uit de studie bleek dat hun grafeenhalfgeleider een veel grotere mobiliteit heeft dan silicium, wat betekent dat de elektronen met een zeer lage weerstand bewegen. In de elektronica vertaalt dit zich naar sneller computergebruik. 

"Het is net zoiets als rijden op een onverharde weg versus rijden op een snelweg", zei de Heer. “Het is efficiënter, warmt minder op en maakt hogere snelheden mogelijk, zodat de elektronen sneller kunnen bewegen.”

Revolutionaire doorbraak om toekomstige elektronica te voeden

Het was na tien jaar onderzoek dat de laatste studie ontdekte hoe grafeen op speciale siliciumcarbidechips kon groeien. Het team veranderde de chemische eigenschappen van grafeen om de gewenste structuur te verkrijgen, zodat het grafeen zich kan gedragen als een hoogwaardige halfgeleider.

Over het mogelijk maken van grafeenelektronica gesproken, merkte De Heer op:

“We moesten leren hoe we het materiaal moesten behandelen, hoe we het steeds beter konden maken en ten slotte hoe we de eigenschappen moesten meten. Dat heeft heel, heel lang geduurd.”

De halfgeleider is momenteel slechts tweedimensionaal (2D) met alle noodzakelijke eigenschappen om in de nano-elektronica te worden gebruikt. De elektrische eigenschappen zijn ook veel beter dan die van andere tweedimensionale halfgeleiders die momenteel in gebruik zijn. Deskundigen zijn van mening dat de ontdekking het gezicht van de elektronica-industrie volledig kan veranderen door ons in staat te stellen nieuwe, krachtige grafeenhalfgeleiders te maken die minder energie verbruiken dan silicium.

“Dit onderzoek heeft niet alleen de opmerkelijke stabiliteit van grafeen behouden, maar ook nieuwe elektronische eigenschappen geïntroduceerd, waardoor de weg is vrijgemaakt voor op grafeen gebaseerde chips”, aldus de in Peking gevestigde Science and Technology Daily.

Elektronica op basis van grafeen is simpelweg efficiënter omdat ze minder stroom nodig hebben om in en uit te schakelen, en bovendien kunnen elektronen stromen zonder warmte te produceren die vervolgens met nog meer energie moet worden gekoeld. Dit betekent dat “telefoons wekenlang mee kunnen gaan zonder dat de batterij leeg raakt, het energieverbruik in alle delen van ons leven kan verminderen, de kosten en de vervuiling door fossiele brandstoffen kan verminderen”, zegt Sarah Haigh, hoogleraar materialen aan het Britse National Graphene Institute, University of Manchester, in een interview.

Dit zou de weg kunnen vrijmaken voor chips die in de toekomst geavanceerdere personal computers en kwantumcomputers aandrijven. 

De onderzoekers merkten in het onderzoek op dat elektronen in dit siliconenalternatief, net als licht, eigenschappen hebben die lijken op kwantummechanische golven. Deze eigenschappen kunnen zeer goed worden benut bij zeer lage temperaturen. Onderzoekers zijn nu van plan dit in vervolgonderzoek te onderzoeken.

Epitaxiaal grafeen zorgt ervoor dat elektronen met minder weerstand kunnen bewegen, wat betekent dat op deze manier gemaakte transistors op terahertz-frequenties kunnen werken. Het helpt de grenzen van silicium te overwinnen, waaronder hoe snel transistors kunnen in- en uitschakelen, hoe klein ze kunnen worden gemaakt en de geproduceerde warmte. 

Op deze manier zou het nieuwe materiaal een paradigmaverschuiving op het gebied van de elektronica kunnen veroorzaken, waardoor de kwantummechanische golfeigenschappen van elektronen kunnen worden benut, een vereiste voor quantum computing. Dit is een belangrijke stap op weg naar de volgende generatie computers en kan de deuren openen naar een nieuwe manier om elektronica te bouwen die kleiner en sneller is.

Zoals De Heer opmerkte, is het niet alleen het vermogen van grafeen om “dingen kleiner en sneller te maken en met minder warmtedissipatie”, maar ook het gebruik van “eigenschappen van elektronen die niet toegankelijk zijn in silicium”, wat “een paradigmaverschuiving oplevert – het is een andere manier van elektronica doen.” 

Dit betekent dat er nu een nieuwe generatie elektronica op komst is. Al lange tijd heeft silicium het voortouw genomen op het gebied van de elektronica, wat een stap hoger was dan de vacuümbuizen, die na draden en telegrafen kwamen, en nu zou grafeen de volgende stap zijn.

“Voor mij is dit een moment voor de gebroeders Wright”, zei de Heer. “Ze bouwden een vliegtuig dat 300 meter door de lucht kon vliegen. Maar de sceptici vroegen zich af waarom de wereld zou moeten vluchten als ze al over snelle treinen en boten beschikte. Maar ze hielden vol en het was het begin van een technologie die mensen over de oceanen kan brengen.”

Bovendien kan het worden geschaald. Eerder was grafeen veelbelovend gebleken als halfgeleider, maar alleen op kleine schaal. Het opschalen van grafeenhalfgeleiders naar praktische computerchipformaten is een uitdaging geweest. De laatste doorbraak maakte echter gebruik van een proces dat vergelijkbaar is met de technieken die worden gebruikt bij het maken van siliciumchips en dat compatibel is met conventionele micro-elektronische verwerkingsmethoden, waardoor het beter haalbaar is om op te schalen.

Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van wafers, die volgens David Carey van de Britse Universiteit van Surrey ‘echt schaalbaar’ zijn, en de technologie die momenteel door de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt kan worden gebruikt om ‘dit proces op te schalen’.

Dat gezegd hebbende, valt nog te bezien of de nieuwste grafeenhalfgeleiders daadwerkelijk beter kunnen presteren dan de huidige supergeleidende technologie. Als de wereld wil overstappen op grafeenchips, zal bovendien nieuw onderzoek moeten worden verfijnd met betrekking tot kwaliteit, omvang en productietechnieken. Dit betekent dat het een lange reis gaat worden, en dat het meer dan tien jaar kan duren voordat de industriële implementatie van grafeenhalfgeleiders volledig is gerealiseerd.

Klik hier voor de lijst met de tien beste aandelen in halfgeleiderapparatuur.