Integrierte Graphen-auf-Chip Terahertz Technologie (INTEGRATECH)

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Gensch; Professor Dr. Ullrich Pfeiffer; Professor Dmitry Turchinovich, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468501411

Das Ziel des Projektes INTEGRATECH ist es, eine neue THz-Technologieplattform zu demonstrieren, die auf der Integration von Graphen mit neuartiger elektronischer SiGe HBT/BiCMOS-Chiptechnologie basiert. Insbesondere werden wir die Chip-Technologie nutzen, um ein treibendes sub-THz Feld zu erzeugen und die extreme nichtlineare Natur von Graphen auszunutzen, um eine On-Chip-THz-Frequenzvervielfachung zu demonstrieren. Wir glauben, dass diese neuartige THz-Technologie-Plattform neue Wege zu On-Chip Funktionalitäten wie THz-Erzeugung, Detektion und Manipulation eröffnen wird. Es wurde vor kurzem entdeckt, dass Graphen gigantische nichtlineare Koeffizienten im THz-Frequenzbereich besitzt, die jene jedes anderen bekannten Funktionsmaterials weit übertreffen. Insbesondere ermöglicht Graphen die Vervielfachung von elektronischen Eingangssignalen im Sub-THz-Bereich in den THz-Bereich, mit einer bisher unerreichten Effizienz bei der Erzeugung von höheren Harmonischen, die bis zu 1 % pro atomarer Lage beträgt. Darüber hinaus ist Graphen kompatibel mit bestehender, hoch entwickelter Halbleiter-Ultrahochfrequenz-Technologie. Bemerkenswerterweise ist das Sub-THz-Felder in der Größenordnung von 10’s kV/cm, wie sie für eine effiziente Erzeugung von THz-Harmonischen in Graphen benötigt werden, eine Größenordnung kleiner als das Channel-Feld eines typischen Hochgeschwindigkeits-sub-THz-CMOS-Transistors sind. Dies impliziert einen klaren technologischen Weg zu einer integrierten Graphen-auf-Chip-THz-Technologie, welche CMOS- oder BiCMOS-Schaltkreise als Quellen des Sub-THz-Treibersignals und Graphen als aktives, nichtlineares Up-Konversionsmedium für die THz-Signalerzeugung kombiniert. Das physikalische Bild, das hinter einer solchen extremen THz-Nichtlinearität von Graphen steht, wurde innerhalb des antragstellenden Konsortiums entwickelt und ist als thermodynamisches Modell des ultraschnellen Ladungstransports in Graphen bekannt. Darüber hinaus hat das antragstellende Konsortium vor kurzem die effektive Kontrolle dieser THz-Nichtlinearität in Graphen durch elektrisches Gating demonstriert. Mitglieder des antragstellenden Konsortiums gehören zu dem auch zu den weltweit führenden Arbeitsgruppen im Bereich der neuartigen SiGe HBT/BiCMOS Ultrahochfrequenz-Schaltungstechnologie. Das Konsortium, das hinter diesem Projekt steht, verfügt daher über die erforderliche Expertise, die für seinen Erfolg notwendig ist.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2314: Integrierte Terahertz-Systeme mit neuartiger Funktionalität (INTEREST)
• Mitverantwortlich: Hassan A. Hafez Eid, Ph.D.