Verbesserter Graphen-Transistor

Forscher bei IBM haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Leistungsfähigkeit von Transistoren, die aus Schichten des Kohlenstoffmaterials Graphen hergestellt werden, massiv steigern lässt. Graphen gilt als interessanter potenzieller Nachfolger des Halbleitermaterials Silizium, da die Ladungsträgerbeweglichkeit in diesem Material Rekordwerte erreicht. Mit gestapelten Graphen-Schichten konnten die IBM-Forscher das störende Rauschen der Bauteile um den Faktor zehn reduzieren.

Die Studie könnte zur Produktion von graphen-basierten Chips führen, die deutlich schneller rechnen, kompakter herstellbar sind und weniger Energie verbrauchen als heutige Silizium-Prozessoren, glaubtYu-Ming Lin, Wissenschaftler am IBM T. J. Watson Research Center im US-Bundesstaat New York. Forscher des IT-Konzerns untersuchen auch andere viel versprechende Silizium-Nachfolger, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Graphen, das vollständig aus Kohlenstoffatomen besteht, die in einer nur ein Atom dicken Wabenstruktur angeordnet sind, hat eine Vielzahl von Eigenschaften, die es in der Elektronik attraktiv machen – besonders für Transistoranwendungen etwa in Funkchips. Doch bisherige Prototypen zeigten immer auch ein hohes Störpotenzial, was die von den Chips produzierten Signale für Kommunikationsanwendungen schwer nutzbar machten. Die Entdeckung der IBM-Wissenschaftler könnte nun dazu führen, dass die Technik endlich praktikabel wird.

"Die Halbleiter-Industrie sucht sehr intensiv nach neuen Materialien, die Silizium ablösen könnten", meint Lin. Graphen sei einer der Hauptkandidaten. "Das Material kann bei einer vorgegebenen Spannung deutlich höhere Ströme übertragen, weil die Elektronen sich im Graphen einfach schneller bewegen."

Diese Verbesserung der Mobilität der Elektronen, die bei einem Faktor 50 bis 500 liegt, macht eine Informationsverarbeitung mit weniger Energieaufwand möglich und führt zu extrem schnellen Schaltzeiten. Graphen lässt sich außerdem potenziell noch stärker miniaturisieren als Silizium, was die Größe von Transistoren und Chips weiter verringern würde.

Doch es gibt auch ernste Probleme, diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen, sagt Pablo Jarillo-Herrero, Graphen-Forscher am MIT. "Je kleiner eine Komponente ist, desto größer werden auch die Störeinflüsse", sagt er. Der Grund: Die Ströme, die durch solche Komponenten fließen, werden zunehmend von ihrer Umgebung beeinflusst. Beispielsweise können geladene Partikel im Halbleitersubstrat in der Nähe der Schaltungen auftreten, die auf den durch das Graphen fließenden Strom wirken. Es kommt zu Signalstörungen oder Fehlschaltungen.

Lin, der an dem IBM-Projekt zusammen mit seinem Kollegen Phaedon Avouris arbeitete, entdeckte nun aber, dass zwei Graphen-Schichten übereinander angeordnet das Problem überraschenderweise deutlich reduzieren. Offenbar koppeln sich Ströme, die durch beide Schichten fließen, aneinander – jedes Elektron wird mit einer positiven Ladung gepaart. So blieben sie auf Kurs, sagt Lin. Dem Paar können dann zufällige positive oder negative Ladungen im Substrat nichts mehr anhaben.

Der Forscher produziert die Graphen-Schichten mit einem erstaunlich einfachen Herstellungsprozess, der so genannten mechanischen Abblätterung. "Wir nehmen ein Stück Klebeband und ziehen eine Schicht von einem Stück Graphit damit ab", sagt Lin. Die Struktur des Graphits ist grundsätzlich die gleiche wie bei einem größeren Stück Graphen. Die Kohlenstoffatome haben dabei die natürliche Tendenz, in ihren Schichten verbleiben zu wollen. "Normalerweise wiederholen wir dann den Prozess einfach so lange, bis wir eine einzelne Schicht vorliegen haben", sagt Lin.

Platziert man diese Anordnung dann zwischen zwei Elektroden auf einem Oxid-Substrat, bildet sich ein Feldeffekttransistor, der Grundbaustein jedes Chips. Der gleiche Ansatz wird auch bei dem Zweischichttransistor verwendet, nur wird der Abblätterungsprozess etwas früher beendet. Die endgültige Dicke der Schicht wird dann mit einem Rasterkraftmikroskop bestimmt. Beide Schichten behalten die erwünschte Eigenschaft der hohen Elektronenmobilität.

Obwohl die Reduzierung der Störeinflüsse bei den Graphen-Transistoren ein wichtiger Schritt hin zu Praxisanwendungen ist, werden damit beileibe nicht alle Probleme gelöst. Noch ist unklar, wie sich leistungsfähige Schaltungen in großer Stückzahl mit dem Material überhaupt produzieren lassen. Erst dann kann die Technik kommerziell verwendet werden, weiß auch Lin. (bsc)