Beyond-CMOS- und HF-Bauelemente, integrierte Schaltungen und Technologien

Technologieplattform für Bauelemente aus Kohlenstoffnanoröhren

Abb. 1: Charakteristische Verteilung der FET-Transkonduktanz von über 1000 CNT-FETs.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 1: Charakteristische Verteilung der FET-Transkonduktanz von über 1000 CNT-FETs.
Abb. 2: REM-Aufnahme eines Mehrfinger-CNT-FET mit eingebettetem Gate und einer Kanallänge von 280 nm. Im Bild sind ebenso eine AFM-Aufnahme des FET-Kanals mit den CNTs sowie ein schematischer Querschnitt gezeigt.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 2: REM-Aufnahme eines Mehrfinger-CNT-FET mit eingebettetem Gate und einer Kanallänge von 280 nm. Im Bild sind ebenso eine AFM-Aufnahme des FET-Kanals mit den CNTs sowie ein schematischer Querschnitt gezeigt.
Abb. 3: Analyse großer Stückzahlen von integrierten CNT-FETs auf 200-mm-Wafern.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 3: Analyse großer Stückzahlen von integrierten CNT-FETs auf 200-mm-Wafern.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) gelten als vielversprechendes neues Funktionselement in moderner Elektronik und Sensorik, die nach weiterer Miniaturisierung, hoher Effizienz und alternativen Bauelementtechnologien verlangt. In enger Kooperation zwischen dem Fraunhofer ENAS und dem Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz wurde eine Nanotechnologieplattform etabliert, welche die Herstellung von Nanobauelementen ermöglicht und mit Siliziumtechnologien auf Waferlevel kompatibel ist.

Eine vielseitige Prototypentechnologie wurde für die Fertigung von CNT-basierten Feldeffekttransistoren (FETs) auf Wafern bis 200 mm entwickelt. Auf dieser Basis können verschiedene Applikationen im Bereich optischer, chemischer, biologischer und Stresssensoren umgesetzt werden. Beim derzeitigen Entwicklungsstand der CNT-FETs werden bereits Ausbeuten von über 90 % erreicht bezogen auf ein Schaltverhältnis von größer 1000. Flexible Designs und zuverlässige Fertigungsprozesse erlauben spezifische FET-Konfigurationen mit Kanallängen kleiner als 300 nm, hohe Bauelementdichten sowie hohe Reproduzierbarkeit (Abb. 1).

Mit einem weiterführenden FET-Technologiemodul wurden Hochleistungsbauelemente realisiert für Anwendungen in analoger Hochfrequenz-(HF)-Front-End-Transceiver-Elektronik. Hierfür ist eine neue Klasse FETs in Entwicklung, mit denen zukünftig eine höhere Energieeffizienz und Übertragungsbandbreite erreicht werden kann. Unter Anwendung einer Mehrlagen-Nanolithographie auf Waferebene, wurden komplexe Bauelementstrukturen mit asymmetrischen FET-Geometrien und 280 nm langen Transistorkanälen entwickelt (Abb. 2). Hiermit konnten extrinsischen CNT-FET-Betriebsfrequenzen von bis zu 14 GHz erreicht werden.

Auf Systemebene wurden verschiedene heterogene Waferleveltechnologien für die Integration von CNT-Bauelementen in MEMS, MOEMS oder ASICs entwickelt.