Projekt zwischen USA und China: Forschungen an Graphen-Halbleiter als Silizium-Nachfolger

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Um höhere Taktraten zu realisieren, könnten Graphen-Halbleiter das nächste große Ding sein. Damit würde man Mikrochips revolutionieren. Genau hierzu schließen sich die USA und China zusammen und entwickelten den ersten Graphen-Halbleiter, der auch praxistauglich ist.

Wenn es um China und die USA geht, dann ist in letzter Zeit vor alle vom „Handelskrieg“ die Rede. Es gibt einige Beschränkungen beim Export, die zum Beispiel KI-Mikrochips, aber auch beliebte Produkte wie die Geforce RTX 4090 von Nvidia betrifft.

Gemeinsames Halbleiter-Projekt zwischen USA und China

Nun allerdings haben die beiden Länder ihre Differenzen zumindest in einem Bereich zur Seite geschoben. Bei einem gemeinsamen Projekt arbeiten zwei Institute/Universitäten zusammen:

  • USA: Georgia Institute of Technology
  • China: Universität Tianjin

Das Ziel des gemeinsamen Projektes ist der erste Graphen-Halbleiter, der auch praxistauglich ist.

Warum Graphen?

Das Material Graphen wurde im Jahr 2004 entdeckt und recht früh als „Wundermaterial“ bezeichnet. Die Gründe dafür:

  • es ist ein sehr festes Material
  • es besitzt eine gute elektrische Leitfähigkeit
  • die Wärmeleitfähigkeit ist ebenfalls sehr gut

Für den elektronischen Bereich ist Graphen daher bestens geeignet. Es gibt allerdings einen gewaltigen Nachteil, denn Graphen hat im natürlichen Zustand keine Bandlücke. Diese wiederum wäre entscheidend, um Halbleiter (und daraus resultierend Transistoren) an- und auszuschalten. Als Nachfolger des Materials Silizium scheidet Graphen damit quasi schon wieder aus.

Aber: Das Forscherteam, welches sich nun zwischen Amerika und China unter der Leitung von Walter de Heer gebildet hat, setzt genau bei diesem Punkt an.

Es heißt, man habe auf einem Siliziumkarbid-Wafer Graphen wachsen lassen. Weiter wurde beschrieben, dass sich das Siliziumkarbid mit dem Graphen verbinden kann, wenn es richtig hergestellt wird, sodass daraus halbleitende Eigenschaften entstehen (Epigraphen).

Messungen an einem Prototypen

Dem Forschungsteam zufolge gab es Messungen anhand eines Prototypens, bei denen herauskam, dass es eine um 10 x höhere Elektronenmobilität als bei Silizium sein soll. Walter de Heer hatte es so beschrieben, dass man auf einer Autobahn statt auf einer Schotterpiste fahren würde. Insgesamt sind höhere Geschwindigkeiten möglich, alles ist effizienter und die Erwärmung nicht so ausgeprägt.

Wofür wird nach einer Alternative für Silizium-Wafer gesucht?

Der Hintergrund, warum man überhaupt an Graphen arbeitet, ist recht einfach erklärt. Die Grenzen von Silizium-Wafer sind bald erreicht. Aufwändige Kühllösungen sind derzeit nötig, um Taktraten über 6 oder 7 Gigahertz zu ermöglichen.

Bei Epigraphen wiederum wäre deutlich weniger Energie erforderlich. Das würde an sich schon höhere Taktraten möglich machen, aber durch die gute Wärmeleitfähigkeit kann die Wärme, die beim Schalten der Transistoren entsteht, auch besser abgeführt werden.

Wenn ein Prozessor also auf Epigraphen-Basis läuft, könnte die Taktfrequenz höher sein und gleichzeitig würde weniger Energie verbraucht werden.

Außerdem ist die Tatsache vorteilhaft, dass kein neues Fertigungsverfahren benötigt wird. Stattdessen könnten auch Epigraphen im etablierten Verfahren verarbeitet werden.

Wann gibt es erste Prozessoren auf Epigraphen-Basis?

Derzeit arbeitet das Forscherteam daran, auf dem neuen Material integrierte Schaltungen zu ermöglichen. Das bedeutet, dass es bis zur Massenproduktion noch viele Jahre dauern könnte, sofern es denn überhaupt passiert. Immerhin ist Epigraphen ein sehr guter Kandidat, um für Mikrochips mit Silizium-Basis eine mögliche Alternative darzustellen. Abgesehen davon wird aber auch an anderen Möglichkeiten geforscht, wie zum Beispiel kubisches Borarsenid und Galliumarsenid.

Quelle: Nature, Heise, Massachusetts Institute of Technology

Maria Lengemann http://www.maria-lengemann.de

Maria Lengemann ist 37, Gamerin aus Leidenschaft, Thriller-Autorin und Serienjunkie. Sie ist seit 14 Jahren selbstständig und journalistisch auf den Hardware- und Gaming-Bereich spezialisiert.

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