Grundlagen für ballistische Elektronik in Graphen

• Applicants: Dr.-Ing. Matthias Baus; Professor Dr. Heinrich Kurz (†); Professor Dr. Thomas Seyller
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 122082154

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes Ultragraphen wurden in einem interdisziplinären Verbund von Partnern aus den Materialwissenschaften und der Elektrotechnik die Grundlagen für ballistische und hochfrequente Bauteile basierend auf dem Werkstoff Graphen gelegt. Für die Materialsynthese wurden im Wesentlichen zwei Ansätze verfolgt, welche die reproduzierbare Herstellung von großflächigen und qualitativ hochwertigen Graphen-Schichten ermöglichten: Die katalytische Abscheidung auf Übergangsmetallen und die Züchtung von epitaktischem Graphen auf isolierendem SiC. Beide Methoden lieferten bis Projektende qualitativ sehr hochwertige Schichten mit Ladungsträgerbeweglichkeit von bis zu 8000 cm²/Vs. Somit stand für die Realisierung der Bauteile und für die Transportuntersuchungen eine sehr gute Materialversorgung zur Verfügung, wobei beide Methoden Ihre Vorteile bei unterschiedlichen Anwendungen hatten. Basierend auf dieser Materialplattform wurde eine Prozesstechnologie zur Realisierung von Graphen-basierten Hochfrequenzbauteilen und Integrierten Schaltungen entwickelt, welche die Deposition von dielektrischen Schichten auf Graphen, die Kontaktierung der Graphen-Schichten sowie die Strukturierung des Graphen beinhaltete. Mit dieser Technologie konnten Graphen-Transistoren mit Schaltfrequenzen von bis zu 21 GHz und integrierte Schaltungen, bestehend aus bis zu 12 einzelnen Graphen-Transistoren realisiert werden. Die Untersuchung von optisch angeregten Graphen-Schichten lieferte wichtige Erkenntnis über den Mechanismus im Graphen zur Erzeugung von THz-Strahlung. So konnten in Mehrlagen-Graphen gezielt verschiedene Moden angeregt werden, welche sich auf die Probengeometrie zurückführen ließen. Darüber hinaus konnten wertvolle Informationen zur Ladungsträgerdynamik in Graphen gewonnen werden.

Publications

• „Near-field investigation of THz surface-wave emission from optically excited graphite flakes" Optic Express 19, 4667 (2011)
  M. Nagel, A. Michalski, T. Botzem, and H. Kurz
  
• “Influence of structural properties on ballistic transport in nanoscale epitaxial graphene cross junctions” Nanotechnology 23, 395203 (2012)
  Bock, Claudia; Weingart, Sonja; Karaissaridis, Epaminondas; Kunze, Ulrich; Speck, Florian & Seyller, Thomas
  
• “Precise control of epitaxy of graphene by microfabricating SiC substrate” Appl. Phys. Lett. 101, 041605 (2012)
  Fukidome, H.; Kawai, Y.; Fromm, F.; Kotsugi, M.; Handa, H.; Ide, T.; Ohkouchi, T.; Miyashita, H.; Enta, Y.; Kinoshita, T.; Seyller, Th. & Suemitsu, M.
  
• „Current Saturation and Voltage Gain in Bilayer Graphene Field Effect Transistors" Nano Letters 12, 1324 (2012)
  Szafranek, B. N.; Fiori, G.; Schall, D.; Neumaier, D. & Kurz, H.
  
• “Looking behind the scenes: Raman spectroscopy of top-gated epitaxial graphene through the substrate” New J. Phys. 15, 113006 (2013)
  Fromm, F; Wehrfritz, P; Hundhausen, M & Seyller, Th
  
• “Silicon nitride as top gate dielectric for epitaxial graphene” Mater. Sci. Forum 740-742, 149 (2013)
  Wehrfritz, Peter; Fromm, Felix; Malzer, Stefan & Seyller, Thomas
  
• “Visualizing Atomic-Scale Negative Differential Resistance in Bilayer Graphene” Phys. Rev. Lett. 110, 036804 (2013)
  Kim, Keun Su; Kim, Tae-Hwan; Walter, Andrew L.; Seyller, Thomas; Yeom, Han Woong; Rotenberg, Eli & Bostwick, Aaron
  
• „Integrated Ring Oscillators based on high-performance Graphene Inverters" Scientific Reports 2, 2592 (2013)
  Schall, Daniel; Otto, Martin; Neumaier, Daniel & Kurz, Heinrich
  
• „Velocity saturation in few-layer MoS2 transistor“ Appl. Phys. Lett. 103, 233509 (2013)
  Fiori, Gianluca; Szafranek, Bartholomäus N.; Iannaccone, Giuseppe & Neumaier, Daniel
  
• “Quasi-freestanding epitaxial graphene transistor with silicon nitride top gate” J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 305103 (2014)
  Wehrfritz, Peter; Fromm, Felix; Malzer, Stefan & Seyller, Thomas
  
• „Bilayer Graphene Transistors for Analog Electronics“ IEEE Trans. on Elec. Dev. 61, 729 (2014)
  Fiori, Gianluca; Neumaier, Daniel; Szafranek, Bart N. & Iannaccone, Giuseppe