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Transistoren auf Basis von Kohlenstoff-Nanostrukturen

Transistoren auf Basis von Kohlenstoff-Nanostrukturen

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Forschern ist es gelungen, Nanotransistoren aus nur wenigen Atomen breiten Graphenbändern herzustellen (Foto: Empa) - Transistoren auf Basis von Kohlenstoff-Nanostrukturen - Aktuelle News aus der Fachzeitschrift Elektronikfertigung
Einem internationalen Forscherteam mit Beteiligung der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) ist es gelungen, Nanotransistoren aus nur wenigen Atomen breiten Graphenbändern zu produzieren, wie sie im Fachjournal ‚Nature Communications‘ berichten.
Nur wenige Atome breite Graphenbänder, sogenannte Graphen-Nanoribbons, haben spezielle elektrische Eigenschaften. Während Graphen – eine ein Atom dünne, bienenwabenförmige Kohlenstoffschicht – ein leitendes Material ist, kann es in Form von Nanobändern zum Halbleiter werden. Denn es hat eine genügend große Energie- oder Bandlücke, in der keine elektronischen Zustände möglich sind: Dadurch lässt es sich an- und abschalten – und wird so möglicherweise zu einem zentralen Bestandteil von Nanotransistoren.
Die atomare Struktur dieser Graphenbänder wirkt sich auf diesen Bandabstand aus. Er hängt einerseits von der Breite der Graphenbänder ab, andererseits von der Struktur der Ränder. Da Graphen aus gleichseitigen Kohlenstoff-Sechsecken bestehen, kann der Rand je nach Ausrichtung der Bänder eine Zickzack- oder eine sogenannte Sesselform aufweisen. Während sich Bänder mit Zickzackrand wie Metalle verhalten, werden sie mit einem Sesselrand zum Halbleiter.
Werden nun die Bänder bei der Herstellung aus einer Schicht Graphen herausgeschnitten, indem man Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufschneidet, kann dies zu unregelmäßigen Rändern führen. Die Graphenbänder weisen dann nicht die gewünschten elektrischen Eigenschaften auf.
Forschenden der Empa ist es nun in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und der University of California in Berkeley gelungen, Bänder von exakt neun Atomen Breite und einem regelmäßigen Sesselrand aus Vorläufermolekülen wachsen zu lassen. Dafür werden die speziell angefertigten Moleküle im Ultrahochvakuum verdampft. Wie Puzzlestücke fügen sie sich nach mehreren Verfahrensstufen auf einer Goldunterlage zu den gewünschten Nanoribbons von rund 1nm Breite und bis zu 50 nm Länge zusammen. Diese Strukturen haben eine relativ große und vor allem eine genau definierte Energielücke. Die Forscher konnten nun die Graphenbänder in Nanotransistoren integrieren.
Nach ersten wenig erfolgreichen Versuchen ist es gelungen, Transistoren mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Wichtig war dabei auch die dielektrische Schicht zwischen den halbleitenden Schichten und dem elektrischen Schaltkontakt. Als dielektrisches Material wird Hafniumoxid (HfO2) mit einer Schichtdicke von 1,5 nm eingesetzt.
Künftig sollen die Bänder nicht mehr kreuz und quer auf dem Transistorsubstrat liegen, sondern exakt entlang des Transistorkanals ausgerichtet werden. Dadurch ließe sich der derzeit hohe Ausschuss erheblich reduzieren.

www.empa.ch

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