Rechnen mit Kohlenstoff

Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, ist als Material für künftige elektronische Schaltungen von besonderem Interesse, weil es im Vergleich zu Silizium eine viel höhere Ladungsträgermobilität aufweist und sich mit einer künstlichen Bandlücke versehen lässt. Für die industrielle Nutzung sind allerdings massentaugliche Fertigungsverfahren erforderlich, von denen man bislang noch weit entfernt ist. Schon die Erzeugung von Graphenschichten im industriellen Maßstab ist nicht ganz trivial.

Wissenschaftler am Thomas J. Watson Research Center des Technologiekonzerns IBM haben einen Frequenzmischer aus Graphen vorgestellt, den sie vollständig als integrierten Schaltkreis gefertigt haben. Frequenzmischer dienen in modernen Mobilfunksystemen dazu, aus zwei unterschiedlichen Hochfrequenzsignalen Summe und Differenz zu bilden. Der nun vorgestellte Mischer besteht aus einem Feldeffekttransistor aus Graphen, der durch die beiden Hochfrequenzsignale moduliert wird. Zwei auf den Wafer integrierte Spulen, über die sich jeweils eines der beiden Funksignale einkoppeln lässt, komplettieren das Bauteil. Es beansprucht weniger als ein Quadrat­milimeter Fläche.

Für die Schaltkreise haben die Forscher zwei bis drei Lagen Graphen auf einem Siliziumcarbid-Substrat bei hohen Temperaturen epitaktisch wachsen lassen. Zur weiteren Herstellung dienten gängige Prozesse. Der Chip enthält neben dem Mischer weitere Graphen-ICs für Kontrolle und Test. Bei 4 GHz Frequenz maßen die Wissenschaftler Umwandlungsverluste von 27 dB – was sehr viel besser als die bisher im Labor erreichten 40 dB bei 10 MHz ist. Ein aktueller, kommerzieller Mischer auf Gallium­arsenid-Basis weist Verluste von 7 dB bei 1,95 GHz auf.

Michael Vogel