1D/2D Bauelemente

Aufgrund der herausragenden Eigenschaften von 1D- und 2D-Nanomaterialien entwickelt das Fraunhofer ENAS skalierbare Wafer-Level-Bauteiltechnologien, die die Prozesskette vom Ausgangsmaterial über die heterogene Integration bis hin zu On-Top-of-CMOS-Integrationsszenarien berücksichtigen. Im Rahmen der Kooperation zwischen ENAS und ZfM wurde eine vielseitige CNT-basierte FET-Plattform entwickelt. Unser F&E-Schwerpunkt liegt auf der zuverlässigen Herstellung von Bauelementen auf Waferebene und einer hohen Kompatibilität mit konventionellen Mikrotechnologien.

Feld-Effekt-Transistoren auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren für die Elektronik

Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sind eines der wenigen Nanomaterialien, die etablierte Bulk-Halbleiter wie Silizium nicht nur in Bezug auf ihre intrinsischen Eigenschaften wie die Beweglichkeit ihrer Ladungsträger, sondern auch in Bezug auf ihre Integrationsfähigkeit, die nicht durch Substrate eingeschränkt wird, übertreffen. So können dünne Halbleiterschichten, wie z.B. Dünnschichttransistoren (TFTs), herkömmliche IC-Architekturen oder alternative Technologiepfade für flexible Elektronik mit zusätzlichen Funktionen erweitern. Am Fraunhofer ENAS bieten wir ein Technologiemodul für CNT-FETs auf Substraten mit 200 mm Durchmesser an. Wir entwickeln Prozesse für Kurzkanal-FETs, anwendungsspezifische Funktionalisierungen, sowie die Integration in heterogene Systeme. Des Weiteren bieten wir Hardware-Lösungen für verschiedene sensorische Aufgaben in den Bereichen Bio-Sensorik, Gas-Sensorik bis hin zur Quanten-Sensorik. Außerdem können Bausteine der Elektronik wie Hardware-Sicherheitselemente oder Hochfrequenz-Nanobauteile implementiert werden. Hervorzuheben ist, dass aktuelle Forschungen bereits analoge Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren auf CNT-Basis demonstrieren (HF-CNT-FETs), die im Vergleich zu Silizium-HF-FETs für einen ähnlichen Technologieknoten höhere Übergangsfrequenzen aufweisen. Für die industrielle Umsetzung dieser neuen Technologie forscht das Fraunhofer ENAS an Bauelement-Technologien für HF-Schaltungen mit hochlinearen Verstärkern, die sich die einzigartigen Eigenschaften von 1D-Materialien zu Nutze machen.

Nanobauteile für Bio-Sensorik

Auf der Grundlage des CNT-FET-Technologiemoduls am Fraunhofer ENAS fördern wir die Entwicklung kostengünstiger, schneller und empfindlicher Methoden zur Überwachung von Analyten, die in vielen Bereichen benötigt werden, z. B. in der Arzneimittelforschung, bei der Echtzeitdetektion von Biomarkern, bei der Luft- und Wasserüberwachung, bei der Regulierung der Lebensmittelindustrie und bei der Bekämpfung sich schnell ausbreitender Krankheiten. Biosensoren sind Plattformen, die biologische und chemische Spezies nachweisen können, wenn sie mit einem biologischen Erkennungselement und einem Wandler zur Signaldekodierung kombiniert werden. Im Idealfall sind solche Plattformen hochspezifisch und bieten eine hohe Empfindlichkeit auf ppb-Genauigkeit für den zu detektierenden Stoff. Biosensoren auf Feldeffektbasis (Bio-FET) bieten die Vorteile direkter und markierungsfreier Messungen, was neben der Möglichkeit der Miniaturisierung und der Herstellung in großem Maßstab zu einer schnelleren Auslesung führt. Darüber hinaus lassen sich Bio-FET-Plattformen leicht funktionalisieren, wobei auf spezifische Antigene, Oligonukleotide, Aptamere, Proteine, Enzyme oder sogar ganze Zellen immobilisiert werden kann.

Stresskonfigurierbare Nanobauteile

Die Dehnung in Nanostrukturen ist von grundlegender Bedeutung für die Funktionalität und die zuverlässige Herstellung von Geräten. Die Kontrolle der Dehnung in 1D- und 2D-Nanomaterialien fördert eine suspendierte Sensorkonfiguration mit einzigartigen Empfindlichkeiten. Die Dehnung ist für NEMS-Bauteile für den Betrieb bei bestimmten Frequenzen von wesentlicher Bedeutung und ist sogar die Voraussetzung für empfindliche Dehnungssensoren, die bei niedrigen Dehnungszuständen arbeiten. Schließlich ist es wichtig, Integrationstechnologien zu berücksichtigen, da die meisten Abscheidungstechniken für z. B. Graphen durch undefinierte Dehnungszustände wie Falten beeinträchtigt werden, was zu unzuverlässigen Bauelementeigenschaften führt.

Am Fraunhofer ENAS forschen wir in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Mikrotechnologien (Technische Universität Chemnitz) an dehnungskonfigurierbaren Nanobauteilen. Es wurde eine Oberflächentechnologie etabliert, die eine einzigartige Kontrolle der durch das Design definierten Dehnungszustände ermöglicht. Dadurch werden Bauelemente-Arrays mit extrem kleiner Grundfläche sowie die Abstimmung der Bandlücken in größeren Sensoranordnungen möglich. Die Technologie wurde bereits erfolgreich auf CMOS und auf 200 mm Wafer-Ebene demonstriert.