Nanotubes für höchste Leistungen

Nanotubes für höchste Leistungen

Forscher der Firma Infineon stellten erstmals Leistungs-Transistoren aus winzigen Kohlenstoff-Nanaoröhrchen her.

München – Ein Forschungsteam der Infineon Technologies AG konnte jetzt erstmals beweisen, dass winzigste Kohlenstoffröhrchen (Carbon Nanotubes) nicht nur eine interessante Alternative für die Silizium-Integration oder die Chip-Metallisierung sind, sondern auch die Basis für Leistungsbauelemente sein können. Die jetzt erzielten Arbeiten wurden an einem Testchip durchgeführt, bei dem die Nanotubes mit dem gängigen Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) hergestellt wurden. Der Leistungstransistor-Prototyp kann kleine Motoren und auch LEDs steuern. Sämtliche Prozessparameter wie Temperatur und verwendete Materialien sind mit herkömmlichen Prozessen in der Halbleiterherstellung vereinbar. Der Vorgang des Aufwachsens der Carbon-Nanotubes dauert dabei nur wenige Minuten. Bereits Mitte 2002 hatten Forscher von Infineon auf sich aufmerksam gemacht, als sie erstmals Carbon-Nanotubes gezielt an vordefinierten Stellen auf Silizium-Wafern aufwachsen ließen.

Infineon konnte als erstes Unternehmen zeigen, dass sich Carbon-Nanotubes für Leistungtransistoren einsetzen lassen, z. B. zur Steuerung von Motoren oder LEDs. (Quelle: Infineon)

Leistungs-Halbleiter wie Power-MOSFETs treiben elektronische Lasten in zahlreichen Anwendungen wie Motoren oder Steuerungen. Entscheidendes Kriterium ist dabei, dass die Leistungsschalter selbst möglichst wenig Verlustleistung aufweisen, obwohl sie hohe Spannungen bzw. Ströme schalten. Die wichtigsten Kennwerte für Leistungstransistoren sind daher der Schaltwiderstand und die Stromdichte. Moderne MOSFETs wie die CoolMOS-Produkte von Infineon erreichen Schaltwiderstände von 20mΩ /mm ² und Stromdichten von 2000 A/cm ². Die hohe Leit- und Stromtragfähigkeit von Carbon-Nanotubes können diese Werte erheblich steigern: Mit Carbon-Nanotubes aufgebaute Leistungstransistoren erreichen einen 20mal geringeren Schaltwiderstand und damit eine entsprechend geringere Verlustleistung. Darüber hinaus widerstehen die Kohlenstoff-basierten Transistoren etwa 200mal höheren Stromdichten als ihre Silizium Pendants.

„Ein wichtiges Merkmal der Nanotubes ist, dass sie nicht nur metallisch, sondern auch halbleitend sein können“, sagte Franz Kreupl, Projektleiter im Forschungsgebiet Carbon Nanotubes von Infineon. „Damit lassen sich auch aktive Schaltelemente wie Feldeffekttransistoren zum Schalten von elektronischen Lasten aufbauen, wie wir jetzt als weltweit erste erfolgreich demonstrieren konnten.“

Da ein einzelnes Kohlenstoff-Röhrchen von 1 nm Durchmesser nur etwa 24 Mikroampere liefern kann, besteht die Herausforderung darin, Hunderte oder Tausende der winzigen Röhrchen für die gewünschte Stromtragfähigkeit parallel anzuordnen. Der erste von Infineon entwickelte Prototyp besteht aus etwa 300 parallelen Röhrchen und liefert 2 mA bei 2,5 V. Wie Infineon erfolgreich demonstriert hat, können damit bereits LEDs oder kleine Motoren angetrieben werden, was einen Meilenstein in der molekularen Elektronik darstellt. Der Prototyp kann darüber hinaus in einfacher Weise für höhere Leistungen skaliert werden.

Bei der Fertigung des Nanotube-Leistungstransistors wurden einige, erst vor kurzem erzielte Fortschritte der Nanotube-Technologie integriert. Den Forschern gelang es dabei unter anderem die einwandigen (Single Walled) Carbon-Nanotubes schon bei 600 °C in hoher Qualität aufwachsen zu lassen – bisher waren dazu Temperaturen von etwa 900 °C erforderlich. Für den Bau des ganzen Transistors mit den Drain-, Source- und Gate-Kontakten ist nur ein einziger Lithographieschritt erforderlich. Bei dem Prototyp von Infineon wurden die Drain- und Source-Kontakte aus Palladium hergestellt. Als Substrat wurde Silizium eingesetzt, wobei aber auch ein beliebiges anderes leitendes Material verwendet werden kann. Auf einem high-k Aluminiumdioxid-Gatedielektrikum haben die Forscher dann die Carbon-Nanotubes wachsen lassen. Bei dem relativ einfachen Verfahren sind die Carbon-Nanotubes beliebig angeordnet, wobei eine ausreichend große Anzahl in paralleler Ausrichtung für die Verbindung zwischen Drain und Source genutzt werden kann.

Hintergrund: Carbon-Nanotubes
Carbon-Nanotubes (CNTs) sind Makromoleküle, die sich aus Kohlenstoffatomen zusammensetzen, angeordnet in einem Gerüst von Sechsecken zu winzigen langgestreckten Hohlzylindern. Sie können bis zu 1 mm lang werden und weisen einen Durchmesser von 0,4 bis zu über 100 nm auf, je nachdem, wie viele der Röhrchen ineinander stecken. Man unterscheidet prinzipiell zwischen Single-Walled-CNTs (SWCNTs), also einwandigen Nanoröhrchen, und Multi-Walled-CNTs (MWCNTs), den mehrwandigen Nanoröhrchen. Der Durchmesser von SWCNTs liegt zwischen 0,4 und 5 nm. Im Vergleich dazu befindet sich die klassische Silizium-Prozesstechnik gerade im Übergang zu Strukturen mit kleinsten Abmessungen von 90 nm. Nanotubes können sowohl metallisch als auch halbleitend sein, was wiederum von der Geometrie der Nanotubes abhängig ist.

Neben den metallischen Eigenschaften ist der wichtigste Vorteil die extrem hohe Ladungsträgerbeweglichkeit von halbleitenden SWCNTs, die die von Silizium um einen Faktor 200 übertrifft. Dabei widerstehen CNTs Stromdichten von bis zu 1010 A/cm². Dies ist ein enorm hoher Wert, wenn man bedenkt, dass Kupfer bei einer Stromdichte von etwa 107 A/cm² bereits zu schmelzen beginnt.

Mit den beschriebenen Eigenschaften und dem - ähnlich der Polymerelektronik - kostengünstigen Fertigungsverfahren haben Carbon-Nanotubes das Potenzial für vielfältige Anwendungen. Das Spektrum reicht von der Alternative zu Silizium und Metallisierung in Halbleiter-Chips über Displays und Sensoren bis hin zu den hier dargestellten Leistungshalbleitern.

Die Forschungsaktivitäten von Infineon auf dem Gebiet der Carbon-Nanotubes werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Quelle: Infineon

Weitere Infos:

• Infineon Technologies AG:
  http://www.infineon.com  
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