Sensorik und Sensorsysteme

CNT-Integration für leistungsfähige Bauelemente

21. Juli 2020

Das Fraunhofer ENAS erforscht industrietaugliche Integrationstechnologien für Kohlenstoffnanoröhren.

© Fraunhofer ENAS
Querschnitt eines Kohlenstoffnanoröhren-basierenden Transistors.
© Fraunhofer ENAS
200-mm-Wafer mit CNT-Transistoren.

Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nano Tubes, CNTs) sind Schlüsselkomponenten künftiger elektronischer Bauelemente. Sie erweitern die Funktionalität bestehender mikroelektronischer Systeme und ermöglichen sogar völlig neue Elektronikkonzepte. Ihr weitreichender Einsatz scheitert bislang jedoch an den herausfordernden Fertigungs- und Integrationsprozessen.

Universelle Transistortechnologie ermöglicht CNT-Integration

Für die industriekompatible CNT-Integration haben das Fraunhofer-Institut für elektronische Nanosysteme ENAS und das Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz eine eigene Technologieplattform etabliert. Sie ermöglicht mit skalierbaren Technologien 200-mm-Wafer mit CNT-basierten Transistoren für verschiedene Anwendungen zu integrieren. Darüber hinaus zeichnet sie sich durch hohe Ausbeute und Integrationsdichte sowie eine niedrige Variabilität der Bauelemente aus. Durch den modularen Prozess können verschiedene Substratkomplexitäten realisiert werden. Mit der Technologie können CNT-Schichten direkt für Anwendungen und Entwicklungen in Industrie und Forschung bereitgestellt werden. Möglich sind sensorische Anwendungen mit flexiblen Designs und adaptierbaren Prozessen für die Integration von Elektroden. Auch fortgeschrittene Transistortechnologien gehören zum Portfolio: Bauelementkonzepte mit strukturiertem Back-gate mit bis zu sieben Lithographie- Ebenen wurden bereits erfolgreich umgesetzt. Das System ist mit konventionellen Mikrotechnologien wie ASICS, MEMS und MOEMS kompatibel.

Einsatz in der Sensorik bis hin zur Hochfrequenz-Elektronik

Die 1–2 nm dünnen CNTs eignen sich u. a. für den Einsatz als Sensorelement. CNT-basierte Dehnungssensoren sind fünfmal sensitiver als konventionelle Silizium-Sensorik. CNTs können auch hochspezifisch für die Detektion von Gas- und biologischen Spezies sensibilisiert werden. Optische, mechanische sowie chemische Sensoren wurden bereits mithilfe von CNT-basierten Transistorsubstraten realisiert. Weitere Einsatzmöglichkeiten liegen in der Hochfrequenz-Elektronik. So können CNT-Technologien den Energiebedarf des Transceiver- Moduls eines Handys um bis zu 30 % reduzieren. Gigahertz-fähige Hochfrequenz- Bauelemente für Sende- und Empfangseinheiten wurden bereits mit CNT-Technologien realisiert. Mit einer 300-nm-Transistortechnologie konnten Transitfrequenzen von über 14 GHz erreicht werden. Durch spezielle Designs kann die Bauelementlinearität der Transistoren verbessert und ihre Geschwindigkeit um bis zu 20 % erhöht werden. Zudem werden parasitäre Kapazitäten minimiert und definierte Kontaktbarrieren geschaffen.