Neue Halbleitermaterialien IBM stellt 2-GHz-Graphen-IC vor

Bild 1: Herstellungsschritte des Graphen-ICs (von oben nach unten) und schematische Darstellung des Aufbaus.
Bild 1: Herstellungsschritte des Graphen-ICs (von oben nach unten) und schematische Darstellung des Aufbaus.

Graphen könnte aufgrund seiner herausragenden elektrischen Eigenschaften in Zukunft das Silizium als Basis für Transistoren ablösen. Wäre da nicht die komplizierte Fertigung, bei der bislang nur einzelne Transistoren unter Laborbedingungen herausgekommen sind. Auf der IEDM hat IBM einen 200-mm-Wafer mit Graphen-ICs vorgestellt – gefertigt in einem CMOS-kompatiblen Prozess.

Mit graphenbasierten Transistoren sollten Taktraten im Bereich von 500 bis 1.000 GHz möglich sein, was mit siliziumbasierten Transistoren unmöglich ist – die Maximalfrequenzen von diesen liegen um das 100 bis 200fache darunter. IBM gelang es Anfang 2010, erstmals einen 100-GHz-Transistor auf Graphenbasis herzustellen.

Graphen ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren umgeben ist, so dass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet.

Es kann epitaktisch auf metallischen Substraten wachsen. Große Flächen aus Graphen stellt man dadurch her, dass man eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoff auf eine Folie aus inertem Trägermaterial, wie zum Beispiel Silizium, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufbringt und dann das Trägermaterial auflöst.

Die IBM-Forscher haben nun einen Frequenzdoppler-Chip entwickelt, der eine Verstärkung von -25 dB bei einer Ausgangsfrequenz von 2 GHz erzielt und Graphen-FETs mit passiven Komponenten für den HF-Teil zusammenführt. In Bild 1 sind die einzelnen Schritte schematisch dargestellt.

Der Trick der IBM-Forscher, um die Notwendigkeit des Aufbringens der Dielektrika auf das Graphen zu unterbinden, bestand darin, die Gate-Strukturen vorher auf das Silizium-Substrat aufzubringen. Wie sich gezeigt hat, lässt sich Graphen mittels CVD auch auf diese aufbringen.

Um den Gate-Widerstand zu minimieren, was ja speziell für HF-Chips wichtig ist, wurde eine neuartige invertierte T-.Gate-Struktur entwickelt (Bild 2). Für den 300 nm langen Ladungsträgerkanal (der kürzest mögliche in dem aktuellen Maskendesign) wurde damit eine Reduktion des Widerstandes um 65 % gemessen. Bei kürzeren Kanälen erwartet IBM weitere Verbesserungen.

Die Embedded-Gate-Struktur vereinfacht auf der einen Seite das Einbringen des T-Gates und vermeidet parasitäre Kapazitäten zwischen Gate und Source-/Drain-Elektroden. Am Ende wurde noch die Spule in Form von Aluminium in einer Dicke von mehr als 1 µm aufgebracht (Bild 2).

Die Messwerte sind in der Tat beeindruckend: In einem Temperaturbereich von 25 bis 200°C bewegen sich die Abweichungen des Absolutwertes der 2. Harmonischen sowie des Verhältnisses der 2. Harmonischen zur Grundschwingung in einem Bereich von +/- 1dB. IBM bezeichnet diese Arbeit als wichtigen Schritt, um Graphen von der Labor- und eine reale Produktionsphase zu überführen.