De terugkeer van germanium transistoren

In de beginjaren van het onderzoek naar halfgeleider elektronica gebruikten wetenschappers vooral germanium. Maar dit was nogal duur, dus verschoof de aandacht naar silicium. Nu heeft RUG-promovendus Bettadahalli Nandishaiah Madhushankar germanium in een nieuwe vorm doen herleven. Hij gebruikte dunne schilfers germanaan, het tweedimensionale gehydrogeneerde analoog van germanium, om een transistor van te bouwen.

Elektronica wordt steeds kleiner, maar om dat vol te houden zijn nieuwe technieken nodig. Een daarvan is het gebruik van tweedimensionale (2D) materialen. De bekendste vertegenwoordiger daarvan is grafeen, een 2D versie van grafiet. Omdat de elektronische eigenschappen van germanium zo goed zijn (daarom werd dit element in eerst instantie gebruikte in het onderzoek van halgeleiders) probeerden wetenschappers er een 2D versie, germaneen, van te maken. ‘Maar dat was geen succes, het materiaal bleek niet erg stabiel’, legt Madhushankar uit.

Het bleek echter mogelijk germaneen te ‘versterken’ door waterstof atomen aan beide kanten van de laag toe te voegen via een chemisch proces. Het resultaat heet germanaan en dat bleek wel stabiel te zijn. Madhushankar kreeg dit germanaan van collega’s aan de Griekse universiteit van Ioannina en haalde er dunne schilfers vanaf met behulp van de klassieke ‘plakbandmethode’.

Die dunne schilfers plaatste hij op silicium, met gouden elektroden op de schilfers zodat hij een stroom door het germanaan kon sturen. Door een spanning op het silicium te zetten creëerde hij een ‘gate’ stuurstroom die de stroom door het germanaan controleert. Het resultaat was een germanaan transistor, iets wat nog niet eerder was gemaakt. Interessant, aldus Madhushankar, want de theorie voorspelt dat ladingen in germanaan vijf keer sneller bewegen dan in germanium, dus dat je er veel sneller werkende schakelingen mee kunt maken.

Zonnepanelen

De metingen die Madhushankar deed met het germanaan laten zien dat het uitstekende elektronische eigenschappen heeft, al lijkt de plaatsing van de elektroden het materiaal wel te beïnvloeden. ‘We zoeken nog uit hoe dit komt.’ Verder blijkt de beweeglijkheid van de elektronen bij lage temperaturen (77 graden Kelvin, -196 graden Celsius) hoger dan bij kamertemperatuur. ‘Dus we kunnen de eigenschappen nog verbeteren.’ Een voordeel van germanaan ten opzichte van silicium is dat er een stroom ontstaat (of versterkt wordt) wanneer je er licht op laat vallen. Het is dus te gebruiken in zonnepanelen ,al ligt een toepassing als lichtsensor meer voor de hand.

De eerste resultaten met het germanaan zijn gepubliceerd in het tijdschrift 2D Materials van 1 februari. Madhushankar schreef dit artikel samen met postdoc Alexey Kaverzin, zijn promotor Bart van Wees en drie andere RUG-hoogleraren (Petra Rudolf, Graham Blake en Caspar van der Wal). Wetenschappers uit de groep van prof. Dimitrios Gournis van de universiteit van Ionannina in Griekenland maakten het germanaan.

Madhushankar gaat inmiddels door met het onderzoek naar dit nieuwe materiaal. ‘Ik wil weten waarom de gouden contacten de elektronische eigenschappen beïnvloeden en ik ga meer optisch onderzoek doen. Ook zou ik germanaan nog willen combineren met andere 2D materialen door ze te stapelen. Dat kan weer heel nieuwe eigenschappen opleveren.’

Referentie: B N Madhushankar, A Kaverzin, T Giousis, G Pots, D Gournis, P Rudolf, G R Blake, C H van der Wal and B J van Wees: Electronic properties of germanane field-effect transistors, 2D Materials, Volume 4, Number 2, 1 February.