Kohlenstoffnanoröhren

Mikroelektronik im Wandel: Feldeffekt-Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren

Wie kaum eine andere Technologie hat die, auf Silizium basierende, CMOS (complementary metal oxide semiconductor)-Mikroelektronik in den zurückliegenden 30 Jahren unseren Alltag verändert. Personal Computer, Internet, Handy und Digital-Fotografie sind heute selbstverständlich. Wir verdanken all diese Anwendungen insbesondere einer Entwicklung: Der stetigen Verkleinerung der MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor)-Strukturen. Waren diese Strukturen zu Beginn in den integrierten Schaltungen noch 10 µm (1 µm = 10-6 m) „groß“, was etwa der Größe eines menschlichen roten Blutkörperchens entspricht, so sind diese heute auf Virus-Größe von etwa 100 nm (1 nm = 10-9 m) und darunter, geschrumpft. Die Halbleitertechnik verfolgt Moores Gesetz und verdoppelt alle 18 Monate die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip. Diese fortschreitende Miniaturisierung (Skalierung) ist allerdings nicht beliebig fortsetzbar und physikalische Grenzen werden unterhalb einer Strukturgröße von 10 nm deutlich zunehmen. Wer einen radikalen Durchbruch in der Halbleitertechnik sucht, stößt vermutlich auf die Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNT), die neben ihrer extrem geringen Größe auch vielversprechende elektronische Eigenschaften besitzen.

Am Institut für Halbleitertechnik und Nanoelektronik (IHTN) wird die Herstellung und die Integration von CNTs in die CMOS-Technologie untersucht. Ziel dieser Forschungsarbeiten ist die Entwicklung einer nanoelektronischen CNT-CMOS Hybridtechnologie, um so die sich abzeichnenden Grenzen der Miniaturisierung der Mikroelektronik zu überwinden. Gleichzeitig können die enormen Vorteile der bestehenden Silizium-Basistechnologie als Schnittstelle zur makroskopischen Außenwelt in vollem Umfang genutzt werden. Durch Einbettung in die etablierte Mikroelektronik werden die Neuentwicklungen der Nanoelektronik erst funktionstüchtig: Die Nanodimension bekommt sozusagen Anschluss an die makroskopische Außenwelt.

Diesem Ziel ist man am IHTN der TU Darmstadt nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen: Funktionierende CNT-Feldeffekt-Transistoren mit einem Durchmesser von 1-3 nm (!) konnten durch kontrolliertes Wachstum auf einem mit Verfahren der CMOS-Technologie vorbereiteten Silizium-Substrat hergestellt werden. Solche winzigen Strukturen lassen sich zerstörungsfrei mit dem, am IHTN installierten, Rasterkraftmikroskop (AFM) vermessen. In der Abbildung ist beispielhaft eine AFM-Übersichtsaufnahme der CNT-Transistorstruktur gezeigt. Wie man der eingefügten elektrischen Kennlinienschar (Ausgangskennlinien) entnehmen kann, verhält sich der CNT-Transistor wie ein MOSFET, sodass nanoelektronische Schaltkreise für die Realisierung hoch-performanter Kommunikations- und Informationssysteme der modernen und mobilen Gesellschaft des 21. Jahrhunderts denkbar werden.

Aufnahme und Kennlinie CNTFET
Beispiel einer am IHTN hergestellten CNT-Transistorstruktur. Der zwischen den Source-Drain-Kontakten über die Kohlenstoffnanoröhre (CNT) fließende elektrische Strom ist analog zum MOS-Feldeffekt-Transistor durch Änderung der Steuerspannung (Gate-Spannung) beeinflussbar, wie die gemessenen Ausgangkennlinien belegen.
 

Das Institut für Halbleitertechnik und Nanoelektronik verfügt als einzige Universität in Hessen über eine durchgängige CMOS-Prozesslinie, die entsprechende Infrastruktur und erfahrene Prozessingenieure, sodass die innovativen Ideen der jungen wissenschaftlichen Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen erfolgreich umgesetzt werden konnten. Mit diesen, am IHTN durchgeführten, Arbeiten hat die TU Darmstadt Anschluss an die internationale Spitzenforschung auf dem Gebiet der CNT-Nanoelektronik gefunden und sich als leistungsfähiger Partner im Forschungsverbund des NanoNetzwerkHessen eingeführt.