Transistor aus metallischem Kohlenstofffilm

Transistor aus metallischem Kohlenstofffilm

Einen neuartigen Feldeffekttransistor aus einer extrem dünnen organischen Schicht haben britische und russische Forscher hergestellt.

In der Elektronik dominieren nach wie vor die anorganischen Halbleitersubstanzen. Doch auf der Suche nach Alternativen erforscht man auch intensiv zahlreiche organische Materialien wie Polymere oder Kohlenstoffnanoröhren. Inzwischen haben dünne organische Schichten erste praktische Anwendungen gefunden: in Leuchtdioden oder für die preiswerte Wegwerfelektronik aus Plastik. Doch die organischen Schichten haben noch mehr zu bieten. Aus ihnen könnte man besonders leistungsfähige metallische Feldeffekttransistoren herstellen.

In einem herkömmlichen Feldeffekttransistor steuert eine so genannte Gate-Elektrode den elektrischen Strom, der in einem unter ihr liegenden Halbleiterkanal vom Source- zum Drain-Anschluss fließt. Dazu lädt man die Gate-Elektrode durch Anlegen einer Spannung elektrisch auf, sodass das von ihr ausgehende elektrische Feld die Zahl der freien Ladungsträger im Halbleiterkanal verändert und dadurch dessen Leitfähigkeit erhöht oder verringert. Durch Änderung der Gate-Spannung kann man somit die Stromstärke im Halbleiterkanal variieren.

Eine wesentlich bessere Steuerungswirkung ließe sich erreichen, wenn der Verbindungskanal zwischen Source und Drain aus einem gut leitenden Metall wäre, das durch den Feldeffekt unter der Gate-Elektrode lokal nichtleitend wird und so den Stromfluss unterbricht. Das könnte etwa dadurch geschehen, dass sich in einem Halbmetall unter Wirkung des elektrischen Feldes eine Lücke im Energieband öffnet. Ließe sich diese Idee verwirklichen, könnte man kleinere und damit auch schnellere Feldeffekttransistoren herstellen als es mit Halbleitermaterialien möglich ist.

Doch bislang stieß man dabei auf nahezu unüberwindliche Hindernisse. Zum einen können elektrische Felder nur etwa einen Nanometer tief in ein Metall eindringen, da sie von den Leitungselektronen abgeschirmt werden. Es ließen sich also nur extrem dünne metallische Schichten mit Hilfe des Feldeffekts elektrisch blockieren. Doch solche dünnen Schichten werden thermodynamisch instabil, sind inhomogen und von variabler Dicke. Ein verlässliches elektronisches Bauelement ließe sich mit ihnen wohl nicht herstellen.

Einen Ausweg aus diesem Dilemma haben jetzt Andre Geim und seine Kollegen von der University of Manchester und vom Institute for Microelectronics Technology in Chernogolovka gefunden. Für ihren Feldeffekttransistor benutzen sie einen nur wenige Atomlagen dicken und extrem stabilen metallischen Film aus dem Kohlenstoffmaterial Graphen. Eine Graphenschicht besteht aus einer monoatomaren Lage von bienenwabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen. Sie ist das Baumaterial sowohl für Graphit als auch für Kohlenstoffnanoröhren. Die Forscher stellten ihre Feldeffekttransistoren her, indem sie die Graphenfilme von einem nahezu fehlerfreien Graphitkristall abschälten, auf eine Siliziumdioxidunterlage brachten und mit elektrischen Kontakten versahen.

Darstellung einer Graphenschicht bestehehend aus bienenwabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen

Insgesamt haben die Forscher 60 Graphenfilme mit Dicken von weniger als 10 nm untersucht, darunter auch solche mit nur einer, zwei oder drei Atomlagen. Graphenfilme mit wenigen Atomlagen erwiesen sich im Normalzustand als halbmetallisch. Das nahezu vollständig besetzte Valenzband und das unbesetzte Leitungsband zeigten einen Energieüberlapp von wenigen meV, der umso kleiner war, je weniger Atomlagen der Graphenfilm enthielt. Zur relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit des Films trugen neben den Elektronen auch Löcher bei. Wurden die sehr dünnen Filme durch eine Gate-Spannung von bis zu 100 V einem elektrischen Feld ausgesetzt, das sie völlig durchdringen konnte, so änderten sich ihre elektrischen Eigenschaften grundlegend. Je nach Polarität der Gate-Spannung wurde der Film zu einem guten Elektronen- oder Löcherleiter mit einer Ladungsträgerkonzentration von 10 ¹³ pro cm ². Dabei nahm die Leitfähigkeit linear mit der Gate-Spannung zu.

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass Graphen möglicherweise das beste Metall für den Einsatz in metallischen Feldeffekttransistoren ist. Die nanometerdünnen Filme sind stabil und erlauben eine Miniaturisierung der Transistoren auf der Nanometerskala. Die Filme sind nahezu perfekt aufgebaut, sodass die Ladungsträger sie ballistisch durchqueren können, ohne mit Störstellen zu kollidieren und aus der Bahn geworfen zu werden. Sehr große Stromdichten von mehr als 10 ⁸ A/cm ² sind so möglich. Zwar ändert sich der Widerstand des Graphentransistors vom an- zum abgeschalteten Zustand nur um den Faktor 30, aber für logische Schaltungen reicht dies völlig aus. Zudem zeigt das Beispiel der Kohlenstoffnanoröhren, dass atomar dünne Materialien neben dem Einsatz in Transistoren auch viele andere interessante Anwendungen finden können.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. S. Novoselov et al.: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306, 666 (2004)
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/306/5696/666
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/306/5696/666/DC1

• Festkörperphysik an der Universität Manchester:
  http://grendel.ph.man.ac.uk/Research/index.html

• Institute of Microelectronics Technology in Chernogolovka:
  http://www.ipmt-hpm.ac.ru/

Weitere Literatur:

• Slava V. Rotkin and Karl Hess: Title: Possibility of a Metallic Field-Effect Transistor. Appl. Phys. Lett. 84, 3139 (2004)
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0401162

• C. D. Dimitrakopoulos and D. J. Mascaro: Organic thin-film transistors: A review of recent advances. IBM J. Res. Dev. 45, 11 (2001)
  http://www.research.ibm.com/journal/rd/451/dimitrakopoulos.html

• M. Krüger et al.: Sensitivity of single multiwalled carbon nanotubes to the environment. New J. Phys. 5, 138 (2003)
  http://www.iop.org/EJ/abstract/1367-2630/5/1/138