Auch in der Zukunft der Elektronik wird Kohlenstoff eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Dieser kurze Blog befasst sich mit ausgewählten Fortschritten in der Materialwissenschaft, bei denen davon ausgegangen wird, dass Kohlenstoff die Elektronik in den kommenden Jahren maßgeblich prägen wird.
Kohlenstoff-Innovationen in Leistungselektronik und Halbleitern
09.02.2024
Kohlenstoff [C] ist ein zentrales Element. Wir sind kohlenstoffbasierte Lebensformen. In Kombination mit Sauerstoff dient die gasförmige CO2-Konzentration als Barometer zur Messung unseres Beitrags zur globalen Erwärmung. In fester Form kann reiner Kohlenstoff so weich wie Graphit oder so hart wie Diamant sein. Kohlenstofffasern verstärken zahlreiche Produkte von Flugzeugen bis zu Angelruten. Die 14C-Radiokohlenstoffdatierung ist ein wichtiges Werkzeug der Archäologie. Kaum ein anderes Element hat einen vergleichbaren Einfluss.
Inhaltsverzeichnis
Ultra-Wide-Bandgap-(UWBG)-Halbleiter
Wide Bandgap (WBG)-Transistoren auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) haben bereits zu deutlichen Fortschritten bei der Leistungsschaltfähigkeit geführt. Materialien mit größerer Bandlücke verfügen über eine deutlich höhere intrinsische Wärmeleitfähigkeit sowie eine höhere dielektrische Durchbruchspannung als herkömmliche MOSFET-Leistungstransistoren auf Siliziumbasis (Si), sodass Transistorsubstrate bei gleicher Leistungsfähigkeit kleiner und dünner ausgeführt werden können. Die geringere Baugröße reduziert zudem Gatekapazitäten sowie Anschlusskapazitäten und Anschlusswiderstände, was ein schnelleres und effizienteres Schalten bei geringerer Verlustleistung ermöglicht.
SiC-Transistoren können höhere Spannungen verarbeiten und schneller sowie effizienter schalten als Si-MOSFETs, während HEMTs (High Electron Mobility Transistors) auf GaN-Substraten sogar noch höhere Schaltgeschwindigkeiten als SiC-MOSFETs erreichen und sich daher besonders für Hochfrequenzelektronik eignen. Das schnelle Schalten reduziert die erforderliche Größe induktiver und kapazitiver Komponenten, sodass sehr kompakte und effiziente Produkte mit hoher Leistungsdichte realisiert werden können.
Aufgrund dieser WBG-Vorteile werden SiC- und GaN-Transistoren bereits in großem Umfang in umweltfreundlichen Technologien wie Elektrofahrzeugen, Photovoltaikwandlern, IoT-Netzwerken und energieeffizient ausgelegten Stromversorgungen eingesetzt. Kohlenstoff stellt die nächste Generation in diesem Prozess dar, die Ultra-Wide-Bandgap-(UWBG)-Transistoren. Anstelle von SiC- oder GaN-Substraten wird reiner Diamant eingesetzt, der eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit (4x besser als SiC), eine höhere Durchbruchsspannung (6x besser als GaN) sowie eine deutlich größere Bandlücke als SiC und GaN aufweist (Tabelle 1):
Die Leistung verschiedener Transistortechnologien lässt sich mithilfe der Baliga Figure of Merit (BFOM) quantifizieren, wobei ein höherer BFOM-Wert eine bessere Performance kennzeichnet. Die Skala ist nicht linear, da kritische Leistungsindikatoren wie Durchbruchspannung und Leitfähigkeit vom kritischen elektrischen Feld abhängen, das wiederum mit der sechsten Potenz der Halbleiterbandlücke skaliert. Auf Basis des BFOM sind WBG-Transistoren etwa 730-mal leistungsfähiger als Si-MOSFETs, während kohlenstoffbasierte UWBG-Transistoren etwa 15625-mal bessere Werte erreichen. Dieser deutliche Leistungssprung ist eine wichtige Voraussetzung für die Umstellung des globalen Energieverbrauchs von fossilen Brennstoffen auf effiziente grüne elektrische Energie.
SiC-Transistoren können höhere Spannungen verarbeiten und schneller sowie effizienter schalten als Si-MOSFETs, während HEMTs (High Electron Mobility Transistors) auf GaN-Substraten sogar noch höhere Schaltgeschwindigkeiten als SiC-MOSFETs erreichen und sich daher besonders für Hochfrequenzelektronik eignen. Das schnelle Schalten reduziert die erforderliche Größe induktiver und kapazitiver Komponenten, sodass sehr kompakte und effiziente Produkte mit hoher Leistungsdichte realisiert werden können.
Aufgrund dieser WBG-Vorteile werden SiC- und GaN-Transistoren bereits in großem Umfang in umweltfreundlichen Technologien wie Elektrofahrzeugen, Photovoltaikwandlern, IoT-Netzwerken und energieeffizient ausgelegten Stromversorgungen eingesetzt. Kohlenstoff stellt die nächste Generation in diesem Prozess dar, die Ultra-Wide-Bandgap-(UWBG)-Transistoren. Anstelle von SiC- oder GaN-Substraten wird reiner Diamant eingesetzt, der eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit (4x besser als SiC), eine höhere Durchbruchsspannung (6x besser als GaN) sowie eine deutlich größere Bandlücke als SiC und GaN aufweist (Tabelle 1):
| Eigenschaft | Si | SiC | GaN | Diamant |
|---|---|---|---|---|
| Bandlücke (eV) | 1.1 | 3.0 | 3.5 | 5.5 |
| Wärmeleitfähigkeit (W/cm K) | 1.5 | 4.9 | 1.3 | 22 |
| Durchschlagsspannung (kV/mm) | 0.3 | 2.5 | 3.3 | 20 |
| Elektronenbeweglichkeit (cm2/V s) | 1500 | 400 | 2000 | 1060 |
Table 1: Vergleich der grundlegenden Eigenschaften von Silizium-, WBG- und UWBG-Transistoren
Die Leistung verschiedener Transistortechnologien lässt sich mithilfe der Baliga Figure of Merit (BFOM) quantifizieren, wobei ein höherer BFOM-Wert eine bessere Performance kennzeichnet. Die Skala ist nicht linear, da kritische Leistungsindikatoren wie Durchbruchspannung und Leitfähigkeit vom kritischen elektrischen Feld abhängen, das wiederum mit der sechsten Potenz der Halbleiterbandlücke skaliert. Auf Basis des BFOM sind WBG-Transistoren etwa 730-mal leistungsfähiger als Si-MOSFETs, während kohlenstoffbasierte UWBG-Transistoren etwa 15625-mal bessere Werte erreichen. Dieser deutliche Leistungssprung ist eine wichtige Voraussetzung für die Umstellung des globalen Energieverbrauchs von fossilen Brennstoffen auf effiziente grüne elektrische Energie.
Graphenbasierte Halbleiter
Graphen ist eine zweidimensionale Form (Allotrop) von Kohlenstoff, die aus nur ein Atom dicken Nanoschichten besteht, deren Atome in einem wabenförmigen, ebenen Gitter angeordnet sind. Es verhält sich wie ein Halbmetall und ermöglicht einen effizienten Transport von Wärme und elektrischer Energie entlang seiner Ebene, jedoch nicht in Querrichtung. Als Bulk-Material absorbiert es Licht über alle sichtbaren Wellenlängen stark, ist jedoch in einzelnen Lagen nahezu transparent. Auf atomarer Ebene gilt Graphen als eines der stärksten bekannten Materialien, da jedes Atom kovalent mit drei benachbarten Atomen verbunden ist. Diese strukturelle Steifigkeit führt zu einer außergewöhnlich hohen Elektronenbeweglichkeit von etwa 15000cm2/Vs (siehe Tabelle 1), wodurch Graphen eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Silber erreicht.
Graphen weist darüber hinaus mehrere ungewöhnliche elektrische Eigenschaften auf. Es reagiert stark auf externe Magnetfelder, wodurch sich empfindliche Hall-Effekt-Sensoren realisieren lassen, die sowohl bei Raumtemperatur als auch bei kryogenen Temperaturen bis zu weniger als 1K über dem absoluten Nullpunkt zuverlässig arbeiten. Zudem eignet sich Graphen zur Herstellung graphenbasierter FETs (gFETs), die als Biosensoren eingesetzt werden können.
Ein gFET verwendet ein flüssiges Gate, bei dem geladene Biomoleküle den Kanalstrom beeinflussen, sodass Messungen auf Ionenbasis anstelle von Ladungsinjektionen möglich sind. Dies ermöglicht Echtzeitmessungen von Proteinen, Biomolekülen und Nukleinsäuren und unterstützt damit Anwendungen wie die CRISPR-Genbearbeitung, die Erforschung von RNA-Medikamenten, den Nachweis von Infektionskrankheiten bei Menschen, Pflanzen und Tieren sowie die Krebsforschung.
Die Forschung zu den einzigartigen elektrischen Eigenschaften von Graphen, die die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauelemente ermöglichen könnten, wird fortgesetzt. Ein Schwerpunkt ist die Spintronik, bei der Informationen im Drehimpuls der Elektronen (Spin-up oder Spin-down) gespeichert werden. Die regelmäßige und starre Gitterstruktur von Graphen könnte sich dabei als ideales Trägermaterial für einen spintronischen nichtflüchtigen Speicher (NVM) auf atomarer Ebene bei Raumtemperatur eignen, der schneller als herkömmlicher Arbeitsspeicher ist und dennoch alle Daten beim Ausschalten beibehält.
Graphen weist darüber hinaus mehrere ungewöhnliche elektrische Eigenschaften auf. Es reagiert stark auf externe Magnetfelder, wodurch sich empfindliche Hall-Effekt-Sensoren realisieren lassen, die sowohl bei Raumtemperatur als auch bei kryogenen Temperaturen bis zu weniger als 1K über dem absoluten Nullpunkt zuverlässig arbeiten. Zudem eignet sich Graphen zur Herstellung graphenbasierter FETs (gFETs), die als Biosensoren eingesetzt werden können.
Ein gFET verwendet ein flüssiges Gate, bei dem geladene Biomoleküle den Kanalstrom beeinflussen, sodass Messungen auf Ionenbasis anstelle von Ladungsinjektionen möglich sind. Dies ermöglicht Echtzeitmessungen von Proteinen, Biomolekülen und Nukleinsäuren und unterstützt damit Anwendungen wie die CRISPR-Genbearbeitung, die Erforschung von RNA-Medikamenten, den Nachweis von Infektionskrankheiten bei Menschen, Pflanzen und Tieren sowie die Krebsforschung.
Die Forschung zu den einzigartigen elektrischen Eigenschaften von Graphen, die die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauelemente ermöglichen könnten, wird fortgesetzt. Ein Schwerpunkt ist die Spintronik, bei der Informationen im Drehimpuls der Elektronen (Spin-up oder Spin-down) gespeichert werden. Die regelmäßige und starre Gitterstruktur von Graphen könnte sich dabei als ideales Trägermaterial für einen spintronischen nichtflüchtigen Speicher (NVM) auf atomarer Ebene bei Raumtemperatur eignen, der schneller als herkömmlicher Arbeitsspeicher ist und dennoch alle Daten beim Ausschalten beibehält.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs)
Wenn ein Graphenblatt zu einem Zylinder gerollt wird, entsteht eine Nanostruktur mit außergewöhnlichen Eigenschaften in Bezug auf Zugfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Thermische Grenzflächenmaterialien aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) weisen eine stark gerichtete Wärmeleitfähigkeit auf, sodass die von leistungselektronischen Geräten erzeugte Wärme effizient an einen geeigneten Kühlkörper abgeführt werden kann, ohne angrenzende Komponenten übermäßig zu erwärmen. In Tests wurden Wärmeleitfähigkeiten von nahezu 15W/K erreicht, was etwa dreimalhöher ist als bei Wärmeleitpaste.
Darüber hinaus lassen sich Kohlenstoffnanoröhren so auslegen, dass sie sich je nach physikalischen Abmessungen und zusätzlicher chemischer Dotierung wie Halbleiter oder Halbmetalle verhalten. Theoretisch kann ein Kohlenstoffnanoröhrchen etwa 1000mal mehr Strom leiten als ein vergleichbar großer Kupferleiter. Aufgrund seiner zylindrischen Struktur kann der Strom gezielt entlang der Röhrenachse geführt werden, ohne seitlich abzufließen, was zahlreiche neue elektronische Gerätekonzepte ermöglicht.
Weitere Einsatzmöglichkeiten für Kohlenstoffnanoröhren sind Photovoltaik, Sensoren, Displays, intelligente Textilien und Energiegewinnungssysteme. Als besonders vielversprechend gelten jedoch neue Arten von Li-Ionen-Batterien, die CNT-Kathoden verwenden (Abbildung 2). Herkömmliche Li-Ionen-Batterien leiden bei schnellem Laden oder hohen Entladeraten unter thermischer Ausdehnung, wodurch die interne Struktur geschädigt werden kann.
Die höhere mechanische Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren kann diesen thermischen Belastungen ohne Beeinträchtigung standhalten. Diese neuen CNT-Kathodenbatterien können innerhalb von 15 Minuten von 10% auf 90% aufgeladen werden und sind leicht, mit einer doppelt so hohen Wh/kg Energiedichte wie herkömmliche Batterien. Darüber hinaus verfügen sie auch nach 800 Lade- und Entladezyklen noch über 90% ihrer ursprünglichen Kapazität. Dies verspricht eine grundlegende Verbesserung für Elektrofahrzeuge, bei denen Reichweiten von 1000km zunehmend realistisch werden.
Darüber hinaus lassen sich Kohlenstoffnanoröhren so auslegen, dass sie sich je nach physikalischen Abmessungen und zusätzlicher chemischer Dotierung wie Halbleiter oder Halbmetalle verhalten. Theoretisch kann ein Kohlenstoffnanoröhrchen etwa 1000mal mehr Strom leiten als ein vergleichbar großer Kupferleiter. Aufgrund seiner zylindrischen Struktur kann der Strom gezielt entlang der Röhrenachse geführt werden, ohne seitlich abzufließen, was zahlreiche neue elektronische Gerätekonzepte ermöglicht.
Weitere Einsatzmöglichkeiten für Kohlenstoffnanoröhren sind Photovoltaik, Sensoren, Displays, intelligente Textilien und Energiegewinnungssysteme. Als besonders vielversprechend gelten jedoch neue Arten von Li-Ionen-Batterien, die CNT-Kathoden verwenden (Abbildung 2). Herkömmliche Li-Ionen-Batterien leiden bei schnellem Laden oder hohen Entladeraten unter thermischer Ausdehnung, wodurch die interne Struktur geschädigt werden kann.
Die höhere mechanische Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren kann diesen thermischen Belastungen ohne Beeinträchtigung standhalten. Diese neuen CNT-Kathodenbatterien können innerhalb von 15 Minuten von 10% auf 90% aufgeladen werden und sind leicht, mit einer doppelt so hohen Wh/kg Energiedichte wie herkömmliche Batterien. Darüber hinaus verfügen sie auch nach 800 Lade- und Entladezyklen noch über 90% ihrer ursprünglichen Kapazität. Dies verspricht eine grundlegende Verbesserung für Elektrofahrzeuge, bei denen Reichweiten von 1000km zunehmend realistisch werden.