Skalierbare Hochleistungsdioden mit 1D-Metall-Isolator-Graphen Geometrie für Hochfrequenzanwendungen basierend auf 2D-Materialien hergestellt mittels chemischer Gasphasenabscheidung

• Antragsteller: Dr. Zhenxing Wang
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391996624

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Moderne Anwendungen in der Telekommunikation und der Nutzung der Energie aus der Umwelt verlangen Hochleistungselektronik, die bei besonders hohen Frequenzen arbeitet. Ein Kernbaustein ist hierbei die Diode, welche häufig als Gleichrichter oder Detektor zum Einsatz kommt. Herkömmliche Dioden leiden unter einem Kompromiss zwischen hohen Frequenzen und guter Gleichrichtung. Metall-Isolator-Metall-Dioden z.B. können bis zu den Frequenzen der 5G-Technologie arbeiten, allerdings nur mit unzufriedenstellender Qualität. Das einatomige 2D-Material Graphen ist aufgrund seiner elektrischen und physikalischen Eigenschaften dazu geeignet, diese Lücke zu schließen. Indem einer der Kontakte einer Metall-Isolator-Metall-Diode durch Graphen ausgetauscht wird, kann die Diode von einem verstärkten Gleichrichtungseffekt Gebrauch machen, welcher sich allein durch die elektronischen Eigenschaften des Graphens erklären lässt. Eine grundsätzliche Neuerung, die im HiPeDi-Projekt verfolgt wurde, ist eine neue Device-Geometrie, die die Hochfrequenzcharaktistik verbessert. Indem der Kontakt zwischen Graphen und Isolator nicht wie herkömmlich großflächig, sondern nur an einer eindimensionalen Kante des Graphens hergestellt wird, kann die parasitäre Kapazität des Bauelements weiter reduziert werden, was zu einer höheren Arbeitsfrequenz führt. Außerdem wurden verfügbare Kontaktmetalle und Einkapselungsmaterialen auf ihren Beitrag zu einer schnelleren und besseren Diode untersucht. Als Demonstration einer Hochfrequenzanwendung der 1D-MIG-Diode wurde eine Rectenna hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Bauelement Strahlung zwischen 110 und 170 GHz gleichrichten kann und somit einen Verbraucher mit Strom versorgen kann. Der Detektor zeichnet sich weiter durch ein äußerst niedriges Rauschen und hohe Responsivität im Vergleich zu ähnlichen Detektoren aus. Dies eröffnet den Weg zur Nutzbarmachung von Rest-Infrarotstrahlung in der Umwelt, die von natürlichen oder menschengemachten Quellen ausgeht. Diese Technologie kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende beitragen, indem Energiequellen nutzbar gemacht werden, die mit herkömmlicher Technik nicht ausgenutzt werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Flexible One-Dimensional Metal–Insulator–Graphene Diode. ACS Applied Electronic Materials, 1, 945, 2019
  Z. Wang et al.
  
• Compact V-Band MMIC Square-law Power Detector with 70 dB Dynamic Range exploiting State-of-the-art Graphene diodes. IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2021, pp. 888-891
  M. Saeed et al.
  
• Graphene in 2D/3D Heterostructure Diodes for High Performance Electronics and Optoelectronics. Advanced Electronic Materials, 7, 2001210, 2021
  Z. Wang et al.
  
• Low-cost Compact Analogue Phase-Shifter based on CVD Graphene-diode for Smart Surfaces Applications. IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2021, pp. 595-598
  M. Saeed, et al.
  
• Terahertz Rectennas on Flexible Substrates Based on One- Dimensional Metal–Insulator–Graphene Diodes. ACS Applied Electronic Materials, 3, 3747, 2021
  A. Hemmetter et al.
  
• Voltage-Tunable Thin Film Graphene-Diode-Based Microwave Harmonic Generator. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 31, 733, 2021
  M. Saeed et al.
  
• Graphene-Based Microwave Circuits: A Review. Advanced Materials, 2108473, 2022
  M. Saeed et al.