Flotter Verstärker

Physik Journal – Graphentransistoren erreichen höhere Grenzfrequenzen als konventionelle Silizium-basierte Transistoren.

Graphen besitzt eine sehr hohe Ladungsträgermobilität und könnte daher den Weg zu elektronischen Schaltkreisen weisen, die sich mit sehr hohen Frequenzen betreiben lassen. Die nur eine Atomlage dicke Schicht aus hexagonalen Kohlenstoffkristallen wird im Labor häufig aus Flocken erzeugt, was zwar für die Materialforschung ausreicht, aber sich nicht für die Halbleiterfertigung im industriellen Maßstab eignet. Wissenschaftler von IBM haben dieses Problem nun gelöst und Graphentransistoren mit einer Grenzfrequenz von 100 GHz hergestellt. Oberhalb der Grenzfrequenz verliert ein Transistor langsam seine Eigenschaften als Verstärker.

Bei den Graphentransistoren handelt es sich um Feldeffekttransistoren (FET), die die Forscher auf Zwei-Zoll-Wafern gefertigt haben. Sie erhitzen dazu einen Siliziumkarbid-Wafer auf 1450 °C und erzeugen dadurch auf ihm eine Schicht aus ein bis zwei Graphenlagen. Auf ihr scheiden sie Source- und Drain-Elektroden so ab, dass zwischen ihnen Kanäle aus Graphen stehen bleiben. Die freien Graphenoberflächen überziehen sie per Rotationsbeschichtung mit einer 10 nm dünnen Schicht eines Polymers, das auch in der kommerziellen Halbleiterfertigung zum Einsatz kommt. Sie sorgt dafür, dass die hohe Ladungsträgermobilität des Graphen erhalten bleibt. Über ihr bringen die Wissenschaftler dann eine konventionelle Oxidschicht und die metallische Gate-Elektrode auf. Die Gate-Länge beträgt 240 nm – künftig soll sie noch kürzer werden und die Kenngrößen der Graphen-FET dadurch weiter verbessern. Doch schon die jetzigen Labormuster erreichen Grenzfrequenzen von 100 GHz (gemessen bei einer Drain-Spannung von 2,5 V). Dieser Wert ist höher als bei bisherigen Graphentransistoren und übertrifft selbst aktuelle Silizium-basierte Metalloxidhalbleiter-FET (MOSFET), die eine vergleichbare Gate-Länge haben. Deren Grenzfrequenzen liegen nur bei 40 GHz.

Graphentransistoren könnten künftig zum Beispiel analoge Mikrowellensignale verstärken, wie sie in der Telekommunikation und bei bildgebenden Verfahren vorkommen. Sie sind nicht schaltbar, weil Graphen keine Bandlücke besitzt. Die IBM-Forscher schließen jedoch nicht aus, dass Graphen sich so dotieren lässt, dass sich eine ausreichend große Bandlücke bildet – dann würden mit dieser Technologie auch digitale Schaltkreise für Computer in den Bereich des Möglichen rücken.

Michael Vogel

Quelle: Physik Journal, April 2010, S. 16

AH