Forscher behaupten, den ersten funktionsfähigen Chip auf Graphenbasis entwickelt zu haben

• Während die Grenzen von Silizium bei Geschwindigkeit, Wärmeentwicklung und Miniaturisierung immer deutlicher werden, erklärt ein Forschungsteam von Georgia Tech, ein funktionsfähiger Halbleiter auf Graphenbasis könne eine Alternative zu heutigen Computern und künftigen Materialien für Quantencomputer sein
• Der Schlüssel ist epitaktisches Graphen, das an silicon carbide (SiC) gebunden ist; das Team bezeichnet es als SEC oder epigraphene und gibt an, eine höhere Elektronenmobilität als bei herkömmlichem Silizium erreicht zu haben
• Das Herstellungsverfahren erhitzt SiC auf über 1.000°C, sodass das Silizium an der Oberfläche verdampft; die Kosten für Prozessausrüstung und Materialien werden mit etwa 10 Dollar pro Chip, rund 1 Dollar für den crucible und etwa 10 Dollar für das quartz tube angegeben
• Frühere Graphen-Bauelemente hatten wegen des fehlenden Bandabstands Schwierigkeiten, Transistoren vollständig abzuschalten, doch das SEC des Teams beansprucht genau diese für die Digitalelektronik nötige vollständige Sperrbarkeit
• Das Team zielt nicht darauf, die Technologie einfach in bestehende Silizium-Linien einzuschleusen, sondern auf ein Paradigma nach dem Silizium auf SiC-Basis; wie reif sie tatsächlich wird, hängt stark vom künftigen Entwicklungsaufwand ab

---

Georgia Techs Behauptung zu einem Halbleiter auf Graphenbasis

• Ein Forschungsteam von Georgia Tech behauptet, den weltweit ersten funktionsfähigen Halbleiter auf Graphenbasis entwickelt zu haben
• Die Arbeit erschien am 3. Januar in Nature und wurde von Walt de Heer, Physikprofessor an der Georgia Tech, geleitet
• Das zentrale Material ist epitaktisches Graphen, eine kristalline Kohlenstoffstruktur, die chemisch an silicon carbide (SiC) gebunden ist
  • Das Team nennt dieses Halbleitermaterial semiconducting epitaxial graphene, SEC, oder epigraphene
  • SEC soll eine höhere Elektronenmobilität als herkömmliches Silizium haben, sodass sich Elektronen mit deutlich geringerem Widerstand bewegen können

Herstellungsverfahren und Kosten

• Das Herstellungsverfahren ist eine Abwandlung einer seit mehr als 50 Jahren bekannten einfachen Technik
• Wird SiC auf über 1.000°C erhitzt, verdampft das Silizium an der Oberfläche, und die kohlenstoffreiche Oberfläche bildet Graphen aus
• Der tatsächliche Prozess läuft in einem argon quartz tube ab, in dem zwei gestapelte SiC-Chips in einen graphite crucible gelegt werden
  • Durch die copper coil um das quartz tube wird ein Hochfrequenzstrom geleitet
  • Durch Induktionserwärmung wird der graphite crucible erhitzt
  • Die Prozessdauer beträgt etwa 1 Stunde
• Das so hergestellte SEC ist im Wesentlichen ladungsneutral und wird bei Kontakt mit Luft durch Sauerstoff auf natürliche Weise dotiert
  • Diese Sauerstoffdotierung lässt sich durch Erhitzen auf etwa 200°C im Vakuum leicht wieder entfernen
• Laut de Heer liegen die Kosten bei etwa 10 Dollar für den verwendeten Chip, rund 1 Dollar für den crucible und etwa 10 Dollar für das quartz tube

Unterschied zu bisherigen Ansätzen für Graphen-Halbleiter

• Seit 2008 ist bekannt, dass sich Graphen beim Erhitzen mit SiC im Vakuum halbleiterartig verhalten kann
• De Heers Methode soll sich bei der Bandlückenbildung unterscheiden
  • Bei korrekter Anwendung der modifizierten Methode entsteht die Bindung sehr regelmäßig
  • In der Arbeit wird eine hohe Mobilität angegeben
• Frühere elektronische Graphen-Bauelemente hatten wegen des fehlenden Bandabstands Schwierigkeiten beim Ein- und Ausschalten von Transistoren
• Die bisherige Forschung zur Halbleiterisierung von Graphen läuft seit etwa zehn Jahren und umfasst auch Ansätze, durch chemische Bindung von Atomen an Graphen eine Bandlücke zu erzeugen
  • De Heer meint, dass frühere Methoden wegen chemischer oder mechanischer Strukturprobleme halbleitendes Graphen mit niedriger Mobilität hervorgebracht hätten

Grenzen des Graphen-Ribbon- und Wrinkle-Ansatzes

• graphene ribbon galt als vielversprechender Ansatz, zeigt aber nur dann Halbleitereigenschaften, wenn es eine sehr spezifische Breite und armchair edge besitzt
  • Diese Bedingung ist umgekehrt proportional zur Breite des ribbon
  • Ribbons eignen sich zur chemischen Herstellung, müssen danach aber präzise auf einem Substrat platziert und mit metallic wire verschaltet werden
• De Heer sagt, die Technologie der graphene nanoribbon sei im Prinzip der semiconducting carbon-nanotube technology sehr ähnlich
  • Die carbon-nanotube technology sei selbst nach 30 Jahren nanotube-Forschung noch nicht erfolgreich gewesen
• Es gibt auch Ansätze, durch wrinkle in Graphen eine Bandlücke zu öffnen
  • Mechanische Verformung kann eine Bandlücke öffnen
  • Es wurde eine Bandlücke von bis zu 0.2 electron volts demonstriert
  • Silizium hat mit 1.12 eV eine deutlich größere Bandlücke
  • Wegen der kleinen Bandlücke bleibt das Anwendungspotenzial unklar, zudem fehlt es weiterhin an Mobilitätsdaten

Technische Vorteile, die SEC für sich beansprucht

• Das Team erklärt, großflächiges halbleitendes SEC auf defektfreien, atomar flachen SiC terrace hergestellt zu haben
• SiC gilt als hochentwickeltes und leicht verfügbares elektronisches Material, das vollständig mit bestehenden microelectronics-Prozessen kompatibel ist
• SEC könnte Transistoren ermöglichen, die bei terahertz-Frequenzen arbeiten und 10-mal schneller sind als heutige siliziumbasierte Transistoren
• Der entscheidende Unterschied zu kommerziellen graphene field-effect transistor (GFET) ist, ob halbleitendes Graphen verwendet wird
  • Bestehende GFET verwenden kein halbleitendes Graphen und eignen sich daher nicht für Digitalelektronik, die eine vollständige transistor shutdown erfordert
  • Das SEC des Teams soll vollständig sperren können und damit die strengen Anforderungen der Digitalelektronik erfüllen

Grenzen von Silizium und Potenzial für Quantencomputing

• Halbleiter sind die Kernbauteile aller elektronischen Geräte und vereinen Eigenschaften von Leitern und Isolatoren
• Silizium, das heute vorherrschende Halbleitermaterial, stößt bei Geschwindigkeit, Wärmeentwicklung und Miniaturisierung an seine Grenzen
• De Heer meint, dass sich der schnelle Fortschritt in der Computergeschichte wegen dieser Beschränkungen von Silizium verlangsamt
• Graphen ist eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter und gilt als besserer Leiter als Silizium, was eine effizientere Bewegung von Elektronen unterstützt
• Das Team geht davon aus, dass Halbleiter auf Graphenbasis eine wichtige Rolle im Quantencomputing spielen könnten
  • Wird Graphen bei sehr niedrigen Temperaturen in Bauelementen verwendet, zeigen Elektronen quantenmechanische Welleneigenschaften, ähnlich wie sie bei Licht zu sehen sind
  • De Heer sagt, dass graphene electronics quantenmechanische Welleneigenschaften von Elektronen und hole nutzen könne, die silicon electronics nicht zugänglich seien
• Ob Halbleiter auf Graphenbasis die heutige superconducting-Technologie für fortgeschrittene Quantencomputer übertreffen können, muss jedoch weiter erforscht werden

Entwicklungsrichtung und verbleibende Aufgaben

• Das Team von Georgia Tech plant nicht, Halbleiter auf Graphenbasis in Standardlinien für Silizium oder compound semiconductor einzuschleusen
• Ziel ist der Übergang zu einem Paradigma nach dem Silizium unter Nutzung von SiC
• Das Team entwickelt unter anderem Verfahren, SEC mit boron nitride zu beschichten, um den Schutz zu verbessern und die Kompatibilität mit bestehenden Halbleiterlinien zu erhöhen
• De Heer geht davon aus, dass die Entwicklung dieser Technologie Zeit brauchen wird
  • Er vergleicht diesen Erfolg mit dem ersten 100-Meter-Flug der Wright brothers
  • Künftige Fortschritte hängen vor allem davon ab, wie viel Entwicklungsarbeit investiert wird

[GN⁺]

Meinungen auf Hacker News

• Ich habe das Gefühl, dass der Kernpunkt etwas versteckt wurde. Gegen Ende heißt es: „Bisherige GFETs (Graphen-Transistoren) verwenden kein halbleitendes Graphen und sind daher für digitale elektronische Schaltungen ungeeignet, bei denen Transistoren vollständig ausgeschaltet werden müssen. [...] Das vom Forschungsteam entwickelte SEC-Material ermöglicht eine vollständige Sperrung und erfüllt damit die strengen Anforderungen digitaler Elektronik.“
  Soweit ich früher gehört habe, war genau das das Problem von Graphen-Transistoren. Sie haben zwar eine nichtlineare Kennlinie, können den Stromfluss aber nicht unterbrechen und sind deshalb für digitale Logik nutzlos, nur für analoge Schaltungen brauchbar. Allerdings ist es schon eine Weile her, seit ich das gelesen habe; vielleicht hat es inzwischen jemand gelöst.

  • Das klingt nach dem Bandlückenproblem.
    Eine gute Erklärung dazu gibt es hier: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
    Kurz zusammengefasst: GFETs sind schnelle und effiziente Transistoren, haben aber keine Bandlücke. Ohne Bandlücke treffen Valenzband und Leitungsband bei 0 Volt aufeinander, sodass Graphen sich wie ein Metall verhält. Bei Halbleitern wie Silizium wirkt der Abstand zwischen den beiden Bändern unter normalen Bedingungen wie ein Isolator.
    Normalerweise benötigen Elektronen zusätzliche Energie, um vom Valenzband ins Leitungsband zu wechseln; bei einem FET ermöglicht die Vorspannung den Stromfluss durch ein Band, das ohne Bias-Spannung wie ein Isolator wirkt. GFETs haben jedoch keine Bandlücke, weshalb sich der Transistor nur schwer ausschalten lässt. Er kann nicht vollständig ausgeschaltet werden, sodass das Ein/Aus-Stromverhältnis nur etwa 5 beträgt, was für Logikoperationen niedrig ist. Für digitale Schaltungen ist das daher schwierig, in analogen Schaltungen ist es weniger problematisch und eignet sich etwa für Verstärker oder Mixed-Signal-Schaltungen.
    Mehrere Forschungsteams arbeiten daran, dieses Bandlückenproblem mit Ansätzen wie negativer Widerstand oder Bottom-up-Syntheseverfahren zu lösen.
  • Wenn es ein halb analoger Transistor ist, könnte er für AI-Berechnungen ziemlich gut geeignet sein. Also für Operationen wie Matrixmultiplikationen, Sigmoid, tanh und dergleichen.
  • Genau darum geht es in dem Artikel beim Thema Bandlücke. Sie existiert, ist aber sehr instabil.

• Da steht der Satz: „Das Ergebnis ist ein Transistor, der zehnmal schneller ist als die heute in Chips verwendeten siliziumbasierten Transistoren und bei Terahertz-Frequenzen arbeiten kann.“ Ich verstehe nicht, warum nur 10-mal.
  Wir liegen doch im einstelligen Gigahertz-Bereich; bei Terahertz müsste das grob 100-mal schneller sein, oder?

  • Die Taktfrequenz liegt tatsächlich im einstelligen Gigahertz-Bereich. Digitale Signale müssen aber durch mehrere Ebenen von Logikgattern propagieren, daher müssen die Transistoren selbst deutlich schneller schalten.
    Auf den ersten Blick ist im Artikel nicht klar, ob mit „Terahertz“-Geschwindigkeit die Schaltfrequenz oder die Transitfrequenz bzw. Gain-Bandwidth (fT) gemeint ist. Transistoren mit fT im Bereich mehrerer hundert Gigahertz sind auch heute schon durchaus möglich.
  • Die Taktfrequenz digitaler Computer liegt im einstelligen GHz-Bereich, aber in analogen Schaltungen sind mit Silizium auch etwa 100 GHz möglich. Beispiele wären Radar-Chips im Auto oder Kommunikationssysteme.
    Die THz-Aussage hier scheint sich auf analoge Schaltungen zu beziehen, und gemeint ist wohl, dass diese neue Technik ungefähr 10-mal darüber liegt. Wenn du mehr wissen willst, schau dir Fmax und Ft von Transistoren an.
  • Für den gesamten Chip gilt der einstellige Gigahertz-Bereich, aber nicht für einen einzelnen Transistor.
  • Ich bin kein Elektroingenieur, aber aktuelle Transistoren können wahrscheinlich mit deutlich höheren Taktfrequenzen arbeiten als aktuelle Chips.
    Das Problem dürfte sein, dass sie bei dichter Integration zu heiß werden, sodass Dennard-Skalierung nicht bis an die Grenzen einzelner Transistoren heranreicht.
  • Frequenzen auf Ebene eines einzelnen Transistors und auf Chip-Ebene sind verschieden. Jede Taktstufe enthält mehrere Ebenen von Transistoren.

• Der Herstellungsprozess wirkt ziemlich freundlich im Vergleich zu den lokalen ökologischen Katastrophen, die Silizium verursacht.
  Allerdings ist es wirklich schwierig, mit dem Silizium-Ökosystem zu konkurrieren, das sich über ein halbes Jahrhundert entwickelt hat. Dazu kommt, dass STEM-Talente heutzutage stark in Richtung Software gezogen werden …

  • Das ist einfach eine vernünftige Entscheidung. In Halbleiterfirmen ist es schwer, gutes Geld zu verdienen, und das Feld ist eng; mit Glück ist man dann an die Launen von ein oder zwei Unternehmen in der Region gebunden. Wenn sich der Arbeitgeber schlecht verhält, kann man nicht einfach gehen und selbst ein Chip-Fertigungsunternehmen gründen.
    Software ist stärker demokratisiert, und die Chance, Familienvermögen aufzubauen, ist deutlich höher. Allerdings bemühen sich korrupte Regulierungsbehörden nach Kräften, die Leiter wegzutreten, über die Beschäftigte ihren eigenen Weg gehen könnten. Das geänderte IR35-Gesetz im Vereinigten Königreich schränkt zum Beispiel den Betrieb kleiner servicebasierter Unternehmen stark ein.
  • Warte nur, bis es skaliert und kommerzialisiert wird, dann kommt dieser Albtraum wieder zurück.
    Es ist eine traurige Realität, dass unangenehme und ungewöhnliche Chemikalien viele Herstellungsprozesse billiger machen und große Chargen ermöglichen. Wenn alle Grenzen ausgereizt werden und viel auf dem Spiel steht, lässt sich diese Option kaum vollständig ausschließen.

• Wenn ich das richtig gelesen habe, ist das genauer gesagt eher ein Graphen-Wafer, oder? Es scheint kein Schaltkreis darauf zu sein, sondern einfach eine Graphen-Schicht. Das ist trotzdem beeindruckend, aber es wirkt schwer, das einen „funktionierenden Chip“ zu nennen.

  • Stimmt. Der Autor scheint den Unterschied zwischen Halbleiter und Chip nicht zu verstehen. Die Forschenden haben von einem „funktionierenden Halbleiter“ gesprochen.
  • Wahrscheinlich handelt es sich um ein einzelnes Bauelement, das aus einer epitaktisch gewachsenen Graphen-Schicht strukturiert wurde. Es dürfte ein funktionierender Transistor oder eine Gruppe von Transistoren sein, aber als einzelnes Bauelement ist das möglicherweise nicht besonders nützlich.
    Üblicherweise werden für solche Bauelemente große Metallpads strukturiert, damit man sie mit Probes kontaktieren und dann charakterisieren kann.
  • Ich habe Artikel und Paper grob überflogen; das im Artikel verlinkte Paper sagt, dass die Forschenden die MOSFET-Leistung charakterisiert haben.
  • Wenn die Materialwissenschaft gelöst ist, liegt der nächste Unterschied einfach im Bereich des Engineerings.

• Das vollständige Forschungspaper ist hier: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
  Sie haben auch ein Proof-of-Concept-Bauelement gebaut. Dort heißt es: „Wir haben die gefertigten Top-Gate-SEG-FETs charakterisiert, um die elektrischen Eigenschaften von SEG zu messen.“

• Frühere Diskussion: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 und https://news.ycombinator.com/item?id=38878780

• Entscheidend ist, ob man das so effektiv wie Silizium verarbeiten und miniaturisieren kann. Trotzdem: Wie jemand bereits angemerkt hat, wurden darauf basierende Transistoren schon gebaut, und es gibt die Behauptung, dass sich die für Silizium verwendeten Prozesse unverändert nutzen lassen – hoffen wir, dass es klappt.

  • Stimmt. Es gibt bereits Halbleiter, die deutlich schneller schalten als siliziumbasierte, aber das macht nur etwa 10 % des Ganzen aus.
    Miniaturisierungstechnik, Fab-Equipment, die Expertise der Ingenieure und Wissenschaftler in diesem Bereich, Leiter-/Halbleiter-/Isolatorschichten und Grenzflächen – es gibt viel mehr Faktoren. Es ist gut, von Fortschritten außerhalb des bestehenden Silizium-Ökosystems zu hören, aber nur weil ein Material „besser“ ist, ist es sehr schwer, Silizium zu verdrängen. Um auf einen neuen Technologie-Stack umzusteigen, bräuchte es vermutlich einen revolutionären Vorteil gegenüber der aktuellen Technik, etwa eine Verbesserung um den Faktor 100.
  • Siliziumbasierte Chips verlassen sich auf Oxid- und Metallschichten, um Transistoren zu verbinden. Wie das bei graphenbasierten Bauelementen funktionieren soll, wird aus dem Artikel allein nicht klar.
    Das war auch bei GaAs-basierten Chips ein Problem. In der Wikipedia zu GaAs steht: „Der zweite große Vorteil von Si ist die Existenz eines natürlichen Oxids, Siliziumdioxid (SiO2), das als Isolator dient.“
  • Selbst wenn es nicht so weit kommt: Ein MOSFET, der ohne Kühlkörper absurd hohe Ströme handhaben kann, wäre großartig.

• Wenn es heißt: „Dieser Erhitzungsschritt wird durchgeführt, indem zwei SiC-Chips gestapelt und in einen Graphittiegel gelegt werden, der wiederum in ein Quarzrohr mit Argonatmosphäre kommt. Anschließend wird ein Hochfrequenzstrom durch eine Kupferspule um das Quarzrohr geleitet, um den Graphittiegel induktiv zu erhitzen“, bedeutet das am Ende nicht einfach, dass ein Tube Furnace verwendet wird?
  de Heer soll gesagt haben: „Die Chips, die wir verwenden, kosten etwa 10 Dollar, der Tiegel etwa 1 Dollar und das Quarzrohr etwa 10 Dollar.“ Aber ein Tube Furnace kostet keine 10 Dollar, es sei denn, man baut ihn selbst und lässt die ohnehin vorhandene Ausrüstung im Wert von mehreren Tausend Dollar aus der Rechnung heraus.

  • Damit sind die Verbrauchsmaterialkosten gemeint, die im Prozess anfallen. Dass man auch ein Gebäude, Strom, Personal und diverse andere Dinge braucht, lässt sich daraus ableiten.

• Das Problem liegt immer bei Skalierung und Equipment. Wenn bestehende Infrastruktur nicht genutzt wird, sind die Erfolgschancen gering.

  • Ich sehe auch ein grundlegendes Problem dabei, Kohlenstoff fürs Computing zu verwenden. Tatsächlich gibt es gar nicht so viel Kohlenstoff, und der Großteil des Kohlenstoffs, den wir haben, wird für die organische Chemie benötigt, die uns am Leben erhält.
    Zum Vergleich: Kohlenstoff macht etwa 0,18 % der Erdmasse aus, Silizium dagegen 27,7 %. Auf dem Mond gibt es praktisch keinen Kohlenstoff, während der Regolith zu 20 % aus Silizium besteht.

• Gibt es eine Nische, in der ultraschnelle Chips gebraucht werden, die sich mit siliziumbasierten Chips nicht abdecken lässt? Ich frage mich, ob es einen Markt gibt, der auch für eine kleine Firma mit geringen Stückzahlen funktioniert, oder ob das nur bei Massenproduktion möglich ist.

  • Natürlich gibt es die. Netzwerk-Switches zum Beispiel haben einen praktisch unbegrenzten Bedarf an Verarbeitungsgeschwindigkeit.