FETs aus Graphen auf dem Weg zu 100 GHz

Erster vollständiger Wafer mit Graphenschicht

Die Entwicklung des Graphen, das als einer der Hoffnungsträger für die die Halbleitertechnik nach dem Silizium gilt, macht rapide Fortschritte. Wissenschaftler von IBM haben nun einen ganzen Wafer mit Feldeffekt-Transistoren aus Graphen gebaut, wenn auch einen recht kleinen.

Einem Bericht von Ars Technica zufolge, der sich auf einen Artikel der aktuellen Ausgabe von Science bezieht, haben IBM-Forscher einen zwei Zoll durchmessenden Wafer mit Graphen-Transistoren hergestellt. Die Strukturbreite betrug dabei 240 Nanometer. Das erscheint angesichts kommerziell eingesetzter 32 Nanometer um ein Jahrzehnt hinter dem Stand der Technik zu liegen, aber die Graphenschicht des Forschungswafers ist nur ein bis zwei Atomlagen dick, was sich mit reinen Siliziumstrukturen nicht erreichen lässt.

In der stabilen, nahezu zweidimensionalen Struktur des Graphen liegt auch der Reiz des Materials als Halbleiter, weshalb es auch häufig als Werkstoff für den Ein-Elektron-Transistor bezeichnet wird. Die Kohlenstoffverbindung verspricht zudem eine rund 100 Mal höhere Elektronenmobilität als bei Silizium.

Die Hoffnung der Wissenschaft war bisher vor allem, Graphen zusammen mit Silizium mit den Methoden der Halbleiterfertigung herstellen zu können. Anfang 2008 gab es bereits einzelne Schaltungen, IBM hat nun aber einen ganzen Wafer mit Feldeffekt-Transistoren (FET) aus Graphen hergestellt. Die Kohlenstoffschicht wurde dazu auf Siliziumcarbid (SiC) gezüchtet, das Gate-Oxid des Transistors aus Hafnium-Dioxid gebaut. Diese Verbindung kommt ebenfalls schon bei kommerziellen Chips zum Einsatz, unter anderem bei Intel seit der 45-Nanometer-Generation.

Die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren konnten die Wissenschaftler auf bis zu 30 GHz treiben. Sie hoffen, mit weiteren Verfeinerungen - insbesondere einer 1-lagigen Graphenschicht - auf bis zu 100 GHz zu kommen. Ob sich damit auch komplexe Schaltungen wie Prozessoren bauen lassen, ist aber noch nicht abzusehen. Unter anderem zeigten die Graphentransistoren Effekte, die man so von Silizium nicht kennt: Die Stromstärke stieg linear mit der am Gate angelegten Spannung, "until device breakdown" schreibt Ars Technica.

Transistoren aus Silizium dagegen schalten ab einer bestimmten Spannung nicht mehr, oder die Stromstärke erhöht sich nicht mehr, egal wie hoch die Spannung ist. Dieser Grenzwert ist je nach Material und Bauform unterschiedlich, liegt aber weit vor einer Beschädigung der Schaltung. Die Graphen-Transistoren tun ihren Job aber offenbar ohne solche Warnsignale bis sie schmelzen.

Trotz solcher Beobachtungen, die noch erforscht werden müssen, ist die Weiterentwicklung des Graphen so schnell wie wenige Grundlagenforschungen in der Halbleiterei. Erst 2007 bauten britische Forscher den ersten Transistor damit, 2008 dann mehrere auf einem Stück Silizium. IBM hat nun nachgewiesen, dass sich Graphen auch mit mehreren Elementen moderner Serienfertigung vereinen lässt.