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Graphen Leistungsfähige Transistoren aus Graphen und Siliziumkarbid

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich aus Graphen und Siliziumkarbid leistungsfähige integrierte Transistoren mit sehr guten Schalteigenschaften herstellen lassen.

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Das auf einem Siliziumkarbid-Kristall gewachsene Graphen, ein zweidimensionales Bienenwabengitter aus Kohlenstoffatomen, wird in Leiterbahnen strukturiert und teilweise mit Wasserstoff behandelt. Dadurch wird erreicht, dass Strom (im Bild: blaue Elektronen) über Graphen-Kontakte (schwarz) in den Siliziumkarbidkristall fließt und durch wasserstoffbehandelte Graphen-Kontakte (rot/gelb) kontrolliert werden kann.
Das auf einem Siliziumkarbid-Kristall gewachsene Graphen, ein zweidimensionales Bienenwabengitter aus Kohlenstoffatomen, wird in Leiterbahnen strukturiert und teilweise mit Wasserstoff behandelt. Dadurch wird erreicht, dass Strom (im Bild: blaue Elektronen) über Graphen-Kontakte (schwarz) in den Siliziumkarbidkristall fließt und durch wasserstoffbehandelte Graphen-Kontakte (rot/gelb) kontrolliert werden kann.
(Bild: J. Jobst, S. Hertel)

Erlangen, Nürnberg – Graphen ist eine Graphitschicht mit der Dicke einer einzigen Atomlage. Das Material hat außergewöhnliche Eigenschaften, und Wissenschaftler auf der ganzen Welt sehen darin großes Potenzial für die Elektronik. Bereits 2009 haben Erlanger Wissenschaftler das Verfahren zur großflächigen Herstellung von Graphen auf einer Siliziumkarbidschicht entwickelt – allerdings ist es bisher nicht gelungen, leistungsfähige Transistoren mit guten Schalteigenschaften aus Graphen zu entwickeln.

Genau das haben Prof. Dr. Heiko Weber vom Lehrstuhl für Angewandte Physik der FAU und seine Mitarbeiter nun geschafft. Dabei gingen sie einen anderen Weg als die meisten ihrer internationalen Kollegen: „Wir verwenden ebenfalls Siliziumkarbid als Trägermaterial für das Graphenwachstum – allerdings nicht als isolierende, sondern als leitfähige Schichtstruktur“, erklärt Prof. Weber. „Das heißt, wir nutzen die Eigenschaften beider Materialien für elektronische Prozesse.“

Transistor aus nur zwei robusten Materialien

Durch geschickte Strukturierung und Behandlung mit Wasserstoff können die Erlanger Physiker die Grenzfläche zwischen Graphen und Siliziumkarbid so manipulieren, dass ein Transistor entsteht, der exzellente Schalteigenschaften hat und zudem noch schnell ist. „Das Herausragende ist aber, dass der Transistor lediglich aus zwei Materialien besteht, die sehr robust sind“, sagt Heiko Weber. „Diese Technik ist nicht nur für den Bau einzelner Transistoren, sondern auch für die Entwicklung komplexer Schaltkreise geeignet.“

An der weiteren Verfeinerung des Verfahrens arbeiten Heiko Weber und sein Team im Rahmen des Exzellenzclusters „Engineering of Advanced Materials“ (www.eam.uni-erlangen.de) und des Sonderforschungsbereichs 953 der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der FAU.

Originalpublikation: S. Hertel, D. Waldmann, J. Jobst, A. Albert, M. Albrecht, S. Reshanov, A. Schöner, M. Krieger, H.B. Weber: Tailoring the graphene/silicon carbide interface for monolithic wafer-scale electronics. 17 Jul Reference Nat. Commun. 3 : 957 doi: 10.1038/ncomms1955 (2012)

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