IEDM 2013 Zaubermaterial Graphen entzaubert

Der Graphen-Experte Prof. Andrea Ferrari von der Universität Cambridge hielt den europäischen Plenarvortrag auf der IEDM 2013 in Washington D.C.
Der Graphen-Experte Prof. Andrea Ferrari von der Universität Cambridge hielt den europäischen Plenarvortrag auf der IEDM 2013 in Washington D.C.

Wer sich beim Titel des ersten Plenarvortrags auf der IEDM 2013 in Washington DC einen Durchbruch bei integrierten Schaltungen aus Graphen erhofft hatte, wurde enttäuscht. „Gigahertz Multi-Transistor-Graphen-ICs“ gibt es zwar, aber nur bei besonderen Randbedingungen.

Graphen zeichnet sich durch eine hohe Ladungsträgermobilität und –sättigungsgeschwindigkeit aus, so dass bereits Graphen-FETs mit einer Grenzfrequenz von 350 GHz realisiert wurden. Mit der Dicke von nur einer Atomschicht hat das Material das Potenzial zur weiteren Miniaturisierung. Anders als in typischen Halbleitern bewegen sich Löcher und Elektronen gleich schnell und deutlich schneller als in Indium-Phosphid (InP), das gegenwärtig die Hochgeschwindigkeitselektronik beherrscht. Weitere Pluspunkte von Graphen sind die hohe mechanische und chemische Stabilität sowie die hohe Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus sind Graphenschichten transparent und damit für Displayanwendungen geeignet und sie lassen sich auf flexible Substrate aufbringen.

Dummerweise weist das Material keine Bandlücke auf, so dass sich der Drainstrom nicht gänzlich abschalten lässt. Dies führt zu einer substanziellen statischen Leistungsaufnahme. Beispielsweise fließen in einem Graphen-Inverter ca. 270 µA/µm bei einer Betriebsspannung von 2,5 V, in einem 22-nm-Si-Transistor nur 100 nA/µm bei 0,75 V. Die fehlende Bandlücke führt zudem zu einer Verstärkung von A = 1. Wenn man aber integrierte mehrstufige HF-Schaltungen realisieren möchte braucht man eine Verstärkung A > 1. Mit vielen Tricks wurde bislang versucht, eine Bandlücke in Graphen einzubauen, mit wechselndem Erfolg. Mit Graphen-Nanoribbons konnte man zwar eine Bandlücke erzeugen, aber die Ladungsträgerbeweglichkeit ging in den Keller. Oder man brauchte kryogene Temperaturen, um eine Verstärkung von A = 6 zu erzielen.

Doch es gibt auch Erfolge: Derzeit liegt der Spitzenwert für die Transistorzahl in einem Graphen-Ringoszillator bei zwölf, wie ein deutsches Forscher-Team aus Aachen berichtete. Ferrari zeigte, dass seit 2011 Graphen-Schaltungen einem eigenen „Moore’s Law folgen, alle acht Monate verdoppelt sich die Zahl der Graphen-FETs in einer Schaltung. Allerdings bezweifelt er selbst, dass sich diese Entwicklung halten lässt. Ein anderes vielversprechendes Beispiel: Jüngst hat eine Forschungsgruppe des Polytechnikums Mailand zusammen mit der Universität von Illinois in Urbana einen „Gigahertz integrated graphene ring oscillator“ mit acht Graphen-FETs präsentiert, dessen Inverterstufen eine Verstärkung von A = 4 aufweisen und dessen Schwingfrequenz oberhalb von 1 GHz liegt (Bild 1).

 

Doch alle diese singulären Erfolge dürfen nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Weg zu integrierten Multi-GHz-Schaltungen auf Graphenbasis noch weit ist. Ferrari erklärte, dass Graphen in absehbarer Zeit kein Ersatz für klassische Halbleitermaterialen sein wird, aber komplementär zu technologischen Verbesserungen führen kann. Zum Schluss gab er der Graphen-Forschergemeinde eine Menge Hausaufgaben mit: Die fehlende Bandlücke sorgt nicht nur für eine höhere Leistungsaufnahme, sondern reduziert auch den Spannungshub und verschlechtert der Rauschabstand. Um eine Verstärkung A > 1 zu erzielen, muss die Gateoxiddicke stärker als die Gatelänge schrumpfen, gegen klassische Skalierungsziele. Derzeit ist die Oxiddicke bei 4 nm. Komplementäre Logik wird derzeit durch elektrostatische Dotierung erreicht, was die Versorgungsspannung beschränkt. Graphen muss also dotiert werden, aber so, dass keine Streuzentren für die Ladungsträger entstehen, was die Mobilität einschränken würde. Sowohl die Kontaktwiderstände, als auch die Streuungen durch Verunreinigungen im Material müssen reduziert werden.