Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistor

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Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistor (englisch carbon nanotube field-effect transistor, CNTFET) ist ein Transistor, der in der Halbleiterstruktur Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet. Er findet vor allem Anwendung in der Gruppe der Feldeffekttransistoren (FET). Bei dieser wird eine einzelne Kohlenstoffnanoröhre oder ein Feld dieser als Kanal oder Gate verwendet, um das Problem der Skalierbarkeit von Silizium zu übergehen.

Die CNTFETs sind kleiner als die derzeit (2020) in der Mikroelektronik üblichen Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren auf Basis von Silizium und gelten als eines der Bauelemente, die diese in den kommenden Jahren oder Jahrzehnten ersetzen könnten. Neben der Größe sind die höhere elektrische Leitfähigkeit der CNTs und die damit zusammenhängenden höheren erreichbaren Schalt- und Transitfrequenzen ein wesentlicher Vorteil dieser Technik. Große Probleme bereitet derzeit noch die gezielte Herstellung der einzelnen Transistoren.

Hintergrund

MOSFETs werden heutzutage als Logik-Gatter in Chips oder Mikroprozessoren verbaut und verwendet. Dabei dient der MOSFET als Schalter, über den sich der Stromfluss kontrollieren und verstärken lässt. Das Problem heutzutage ist allerdings die Skalierbarkeit dieser Produkte. So treten mit den immer kleineren Transistoren Probleme auf, wie der Leckstrom oder der Kurzkanaleffekt, welche diese an die Grenze der maximalen Leistung bringen. Einen viel versprechenden Ansatz zur Lösung der Skalierbarkeit und den damit kommenden Probleme versprechen Kohlenstoff-Nanoröhren. Deren Dimensionen von wenigen Nanometern und die elektronischen sowie mechanischen Eigenschaften als Halbleiter erweisen sich als sehr vielversprechend.

Geschichte

1997 veröffentlichten Mitarbeiter der Technischen Universität Delft erstmals Werte zu den elektronischen Eigenschaften von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren als Quantendraht^[1]. Unter anderem liefert er Werte zum Widerstand, zur elektrischen Spannung und der Leitfähigkeit.

1998 wird der erste, auf einer einzigen Singe-Wall-Kohlenstoff-Nanoröhre basierender Transistor erstellt.^[2] Das Verhalten dieses Transistors wird hier mit dem der BARITT-Diode verglichen. Zudem weist der Transistor eine weitaus größere Verstärkung auf als bisherige Transistoren. Im selben Jahr stellte auch eine Gruppe der IBM Research Division Transistoren auf Basis von Singe-Wall- und Mulit-Wall-Kohlenstoff-Nanorören vor.^[3]

2001 werden erstmal Logikschaltung auf Singe-Wall-Kohlenstoff-Nanoröhren basierenden Transistoren erstellt.^[4] Es werden erstmals ein, zwei und drei Transistorschaltungen demonstriert und an diesen eine Vielfalt an logischen Operationen, wie der Inverter, ein NOR-Gatter oder eine SRAM-Zelle.

2006 werden Kohlenstoff-Nanoröhre-Transistoren in einer Studie für Biosensor-Anwendungen benutzt^[5].

2013 veröffentlicht Aaron D. Franklin einen Artikel,^[6] in dem er auf Herstellungsprobleme der letzten Jahre und zu derzeit aktuelle Forschungen eingeht. Laut dem Artikel rechnet man erst 2020 mit den ersten Fabrikherstellungen von Kohlenstoff-Nanoröhre-Transistoren.

2017 fordert die International Technology Roadmap for Semiconductors in einem Bericht, dass in den nächsten Jahren alle Komponenten der CNT-Transistoren auf 40 nm reduziert werden sollen^[7]. Hierfür berichten sie von der erfolgreichen Herstellung extrem kleiner Transistoren, die auf Kohlenstoff-Nanoröhren basieren, welche weniger als die Hälfte des Raumes von führenden Siliziumtechnologien (14-nm-FinFET-Technologie) einnehmen und gleichzeitig eine deutlich höhere Leistung liefern.

2020 werden erstmals Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistoren in einer kommerziellen Siliziumherstellungsanlagen und einer Halbleiterfabrik erstellt^[8].

Literatur

• Lorraine Rispal: Large Scale Fabrication of Field-Effect Devices based on In Situ Grown Carbon Nanotubes. Dissertation, Technische Universität Darmstadt. 2010 (tu-darmstadt.de [PDF; abgerufen am 12. Juli 2017]). 

Weblinks

• Mikroelektronik im Wandel: Feldeffekt-Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren. Institut für Halbleitertechnik und Nanoelektronik – Technische Universität Darmstadt, abgerufen am 26. März 2021. 

Einzelnachweise

1. ↑ Sander J. Tans, Michel H. Devoret, Hongjie Dai, Andreas Thess, Richard E. Smalley: Individual single-wall carbon nanotubes as quantum wires. In: Nature. Band 386, Nr. 6624, April 1997, ISSN 0028-0836, S. 474–477, doi:10.1038/386474a0. 
2. ↑ Sander J. Tans, Alwin R. M. Verschueren, Cees Dekker: Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube. In: Nature. Band 393, Nr. 6680, Mai 1998, ISSN 0028-0836, S. 49–52, doi:10.1038/29954. 
3. ↑ R. Martel, T. Schmidt, H. R. Shea, T. Hertel, Ph. Avouris: Single- and multi-wall carbon nanotube field-effect transistors. In: Applied Physics Letters. Band 73, Nr. 17, 26. Oktober 1998, ISSN 0003-6951, S. 2447–2449, doi:10.1063/1.122477. 
4. ↑ A. Bachtold: Logic Circuits with Carbon Nanotube Transistors. In: Science. Band 294, Nr. 5545, 9. November 2001, S. 1317–1320, doi:10.1126/science.1065824. 
5. ↑ G. Gruner: Carbon nanotube transistors for biosensing applications. In: Analytical and Bioanalytical Chemistry. Band 384, Nr. 2, 29. Dezember 2005, ISSN 1618-2642, S. 322–335, doi:10.1007/s00216-005-3400-4. 
6. ↑ Aaron D. Franklin: The road to carbon nanotube transistors. In: Nature. Band 498, Nr. 7455, Juni 2013, ISSN 0028-0836, S. 443–444, doi:10.1038/498443a. 
7. ↑ Qing Cao, Jerry Tersoff, Damon B. Farmer, Yu Zhu, Shu-Jen Han: Carbon nanotube transistors scaled to a 40-nanometer footprint. In: Science. Band 356, Nr. 6345, 30. Juni 2017, ISSN 0036-8075, S. 1369–1372, doi:10.1126/science.aan2476. 
8. ↑ Mindy D. Bishop, Gage Hills, Tathagata Srimani, Christian Lau, Denis Murphy: Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities. In: Nature Electronics. Band 3, Nr. 8, August 2020, ISSN 2520-1131, S. 492–501, doi:10.1038/s41928-020-0419-7.