Analoge integrierte Hochfrequenz-Schaltungen basierend auf Kohlenstoffnanoröhren Feld-Effekt Transistoren

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sascha Hermann; Professor Dr.-Ing. Michael Schröter
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466828598

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) basierte Feld-Effekt Transistoren (FETs) haben sich mittlerweile zum ernsthaftesten Konkurrenten für die Nachfolge von Bulkmaterial-basierter FET-Technologie entwickelt. Dies liegt sowohl an den vorteilhaften Materialeigenschaften (u.a. hohe Ladungsträgergeschwindigkeit, hohe thermische Stabilität) von CNTs als auch an deren vielseitigen Einsatzmöglichkeiten (z.B. Transistor, Sensor, flexible Elektronik). Die langfristige Vision ist daher ein CNT-basiertes System-on-Chip (SoC) mit hoher Funktionalität im Bereich der analogen und digitalen Signalverarbeitung in Verbindung mit verschiedensten Sensorelementen (chemisch, mechanisch, Strahlung). Ein wichtiger Teil eines solchen SoCs sind außerdem Hochfrequenz (HF)-Schaltungen, die die drahtlose Datenkommunikation mit der Außenwelt ermöglichen. Für die hier erforderlichen HF-CNTFETs sind vor kurzem erstmalig ähnlich hohe externe Grenzfrequenzen gemessen worden wie für Silizium-MOSFETs derselben Lithographie, obwohl die Dichte der CNTs im Kanal und der Drainstrom pro CNT noch weit unter den theoretischen Grenzwerten liegen. Damit wird deutlich, dass die Leistungsfähigkeit von CNTFETs die von HF-MOSFETs mit Kanälen aus Silizium oder verschiedenen zur Zeit untersuchten III-V Materialien langfristig weit übersteigen wird. In diesem Projekt sollen erstmals integrierte analoge HF-Schaltungen und Subsysteme mit CNTFETs gefertigt und gemessen werden. Speziell werden Verstärker, Mischer und Oszillatoren sowie Sende- und Empfangseinheiten auf der Basis eines 130 nm CMOS Technologieknoten entworfen. Da eine solche Integration bisher unter anderem an fehlenden geeigneten passiven HF Bauelementen (Spulen, Kondensatoren, Widerstände) scheiterte, werden die CNTFETs mittels durchgängiger Waferlevel-Technologie auf einem kommerziell verfügbaren und bereits ausgereiften Back-End-of-Line (BEOL) hergestellt, dessen zur Realisierung der Schaltungen notwendige Verdrahtung in diesem Projekt entworfen wird. Die Verwendung des kommerziellen BEOL ermöglicht gleichzeitig einen fairen Vergleich mit entsprechenden HF-CMOS integrierte Schaltungen hinsichtlich der Wettbewerbsfähigkeit einer CNTFET Technologie. Die entsprechenden technologischen Schritte zur Anbindung des CNTFET- Moduls auf dem BEOL werden in einem modularen Konzept entwickelt, das sowohl die weitere Verbesserung der HF-Eigenschaften und Langzeitstabilität der bereits existierenden CNTFETs als auch die Verringerung der Prozessschwankungen zwischen den CNTFETs zum Ziel hat. Speziell werden hier technologische Entwicklungen zur Reduktion von parasitären Kapazitäten im Transistor sowie die Optimierung der Prozesskette zur Wafer-skalierbaren CNT-Integration adressiert. Die Arbeiten auf der technologischen Seite sowie die Schaltungsentwicklung werden durch detaillierte Bauelemente-Simulation und Kompaktmodellierung sowie experimentelle Charakterisierung auf der elektrischen und auch physikalischen Ebene unterstützt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen