Alternative Elektronik

Wissenschaftler entwickeln den bislang schnellsten Transistor auf Basis von Graphen.

Graphen mit seiner honigwabenförmigen, zweidimensionalen Struktur gilt als vielversprechendes Material für zukünftige elektronische Schaltungen. Weil die Elektronen in Graphen sich wie relativistische Teilchen verhalten, lassen sich aus dieser Modifikation des Kohlenstoffs sehr schnelle Transistoren aufbauen. Allerdings stehen noch viele Probleme dem Traum von einer reinen Graphenelektronik im Wege. So ist es bislang nicht gelungen, Transistoren herzustellen, ohne dass dabei das Graphengitter stark gestört wurde – und die Ladungsträgermobilität dadurch drastisch sinkt.

Eine mögliche Lösung haben nun Wissenschaftler um Xiangfeng Duan von der University of California in Los Angeles gefunden. Bei der Fertigung von gängigen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) ist durch eine sich selbst ausrichtende Gate-Struktur sichergestellt, dass die Ränder von Source-, Drain- und Gate-Elektrode sich nicht überlappen oder andererseits Lücken zurückbleiben, was fatal für die Funktion des MOSFETs wäre. Dieses Verfahren funktioniert bei Graphen jedoch nicht, weil dadurch das Graphengitter beschädigt wird. Duan und seine Kollegen verwenden daher zunächst einen Nanodraht als Gate-Elektrode, den sie mit einem Trockentransferprozess auf das Graphen aufbringen, das sich auf einem Siliziumsubstrat befindet. Durch diesen Transferprozess entstehen keine nennenswerten Defekte. Dann legen die Forscher eine 10 nm dünne Platinschicht auf die Gesamtstruktur, die der Nanodraht in zwei isolierte Bereiche teilt – die Source- und Drain-Elektroden, die dadurch automatisch perfekt ausgerichtet sind. Der Nanodraht wirkt bei dem Prozess wie eine Maske und legt die Gate-Länge des Transistors auf etwa 140 nm fest.

Mit 1,27 mS pro Mikrometer weist das fertige Bauelement das höchste Verhältnis zwischen Ausgangsstrom und Eingangsspannung auf (die so genannte Transkonduktanz), das man bislang bei Graphentransistoren erreicht hat. Mit weiteren Messungen konnten die Forscher nachweisen, dass die intrinsische Grenzfrequenz (die Frequenz, bei deren Überschreiten die Signalamplitude am Ausgang des Transistors unter einen vorgegebenen Wert sinkt) im Bereich von 100 bis 300 GHz liegt – rund doppelt so hoch wie bei den besten Silizium-MOSFETs, die vergleichbare Dimensionen haben. Die Ladungsträgermobilität dieses Graphentransistors fällt sogar um etwa zwei Größenordnungen höher aus als die von vergleichbaren Siliziumtransistoren.

Die Wissenschaftler wollen nun Bauelemente mit kürzeren Gate-Elektroden herstellen, um die Grenzfrequenz weiter zu steigern, und arbeiten daran, den Fertigungsprozess auf größere Substratflächen zu übertragen.

Michael Vogel

Quelle: Physik Journal, Oktober 2010, S. 14

KP