Diamant verbessert Graphentransistoren

  • 07. April 2011

Ein neues Fertigungsverfahren für Feldeffekttransistoren aus Graphen nutzt die Vorteile eines diamantähnlichen Substrats.

Die stürmische Entwicklung der drahtlosen Kommunikation erfordert eine immer schnellere elektronische Verarbeitung der anfallenden Daten. Um die hochfrequenten Signale zu verstärken, setzt man heute fast nur Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ein. Doch Feldeffekttransistoren aus Graphen, der zweidimensionalen Form des Kohlenstoffs, sind eine vielversprechende Alternative. Mit einem diamantähnlichen Substrat haben IBM-Forscher jetzt die Graphentransistoren verbessert.

In einem Silizium-MOSFET fließt ein Strom längs einer dünnen Siliziumschicht von der Source- zur Drain-Elektrode. Auf der Schicht sitzt, elektrisch isoliert, die Gate-Elektrode, die die Stärke des Stroms steuert. Je kleiner die Maße eines MOSFET sind, desto schneller arbeitet er und umso mehr von diesen Transistoren lassen sich in einen Chip integrieren. Ersetzt man die Siliziumschicht durch eine atomare Monolage aus Graphen, so verkleinert dies das Bauelement. Zudem hat Graphen eine sehr hohe Ladungsträgermobilität, wie die Nobelpreisträger Geim und Novoselov schon 2004 beobachtete hatten. Graphentransistoren können deshalb sehr schnell schalten.

Abb.: Der Querschnitt eines Graphentransistors unter dem Elektronenmikroskop. Source und Drain sitzen direkt auf der unsichtbaren Graphenschicht, die auf dem Diamantsubstrat (weiß) liegt. Das Gate ist durch eine Oxidschicht vom Graphen getrennt. (Quelle: Yanqing Wu et al., Nature)

Abb.: Der Querschnitt eines Graphentransistors unter dem Elektronenmikroskop. Source und Drain sitzen direkt auf der unsichtbaren Graphenschicht, die auf dem Diamantsubstrat (weiß) liegt. Das Gate ist durch eine Oxidschicht vom Graphen getrennt. (Quelle: Yanqing Wu et al., Nature)

Für die ersten Graphentransistoren hatte man die Kohlenstoffschichten einzeln von einem Graphitblock abgelöst, auf ein Substrat aus Siliziumdioxid gebracht und anschließend kontaktiert. Diese von Hand hergestellten Transistoren erreichen inzwischen eine Grenzfrequenz von respektablen 300 GHz. Unterhalb dieser Frequenz kann der Transistor Ströme verstärken. Doch dieses Herstellungsverfahren eignet sich nicht für eine industrielle Fertigung von integrierten „Graphen-Chips“.

Phaedon Avouris und seine Kollegen vom IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights suchen nach einem Herstellungsverfahren für Graphentransistoren, das mit den Verfahren der Halbleiterindustrie kompatibel ist. Vor einem Jahr hatten sie einen 2-Inch-Wafer mit Graphen-FET hergestellt, bei dem das Graphen epitaktisch auf eine Siliziumkarbidschicht aufgebracht wurde. Diese Feldeffekttransistoren erreichten Grenzfrequenzen von 100 GHz.

Ein anderes aussichtsreiches Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) des Graphens auf einer Metallschicht, von der es dann auf ein nichtleitendes Substrat, meist Siliziumoxid, übertragen wird. Die Graphenschicht wird dann mit gängigen Verfahren zugeschnitten und kontaktiert, die sich für eine automatische Fertigung eignen. Das Siliziumoxid hat sich jedoch als nachteiliges Substrat erwiesen, da es viele Störstellen enthält und in seiner Kontaktfläche mit der Graphenschicht sehr leicht Phononen angeregt werden können. Beides beeinträchtigt die Eigenschaften der Graphentransistoren.

Wesentlich bessere Resultate haben die IBM-Forscher jetzt mit einem Substrat aus diamantähnlichem Kohlenstoff erzielt. Diese Kohlenstoffform enthält eine große Zahl von tetraederförmig sp3-Orbitalen, wie sie im Diamanten vorliegen. Da dies den diamantähnlichen Kohlenstoff sehr hart macht, nutzt man ihn zur Beschichtung von stark beanspruchten Oberflächen. Zudem hat er nur wenige Störstellen, und Phononen in der Grenzfläche zum Graphen lassen sich nur schwer anregen.

Avouris und seine Kollegen haben Graphentransistoren mit unterschiedlich langen Gate-Elektroden gefertigt. Erwartungsgemäß schalteten die Transistoren umso schneller, je kürzer die Elektrode war. Mit den kürzesten, 40 nm langen Elektroden wurden Grenzfrequenzen von 155 GHz erreicht – ein neuer Rekord für die durch CVD hergestellten Graphentransistoren. Die jeweilige Grenzfrequenz der Transistoren blieb auch bei Abkühlung mit flüssigem Helium auf 4,3 K praktisch unverändert. Diese elektronischen Bauelemente könnte man also auch unter extremen Temperaturbedingungen wie im Weltall einsetzen.

Noch können die Graphentransistoren auf „Diamantsubstrat“ nicht mit den heute gängigen MOSFET konkurrieren, die Grenzfrequenzen von knapp 1000 GHz erreichen. Vor allem die Leistungsverstärkung der Graphentransistoren bei hohen Frequenzen ist noch unbefriedigend. Sie setzt erst unterhalb von etwa 20 GHz ein, während MOSFET noch weit oberhalb von 100 GHz verstärken können. Der Grund dafür ist, dass man noch keine gute elektrische Kontaktierung für die Graphenschichten gefunden hat. Der Kontaktwiderstand in den Graphentransistoren ist um eine Größenordnung höher als der in Silizium-MOSFET. Das macht sich umso stärker bemerkbar, je kürzer die Gate-Elektrode ist.

Es sind also noch einige Probleme zu lösen, bevor die Graphentransistoren den Durchbruch schaffen können. Doch die großen Fortschritte, die man seit der Herstellung der ersten Transistoren vor sieben Jahren erreicht hat, und das große Potential, das in ihnen steckt, geben weiterhin allen Anlass zu Optimismus.

Rainer Scharf

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 MH

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