Infineon wordt het eerste bedrijf dat koolstofnanobuistransistors voor energietoepassingen demonstre

Munchen, Duitsland ?? 23 februari 2004 ?? Een team van onderzoekers van Infineon Technologies AG heeft nu voor het eerst kunnen aantonen dat kleine koolstofnanobuisjes niet alleen een interessant alternatief vormen voor siliciumintegratie of voor het metalliseren van chips, maar dat ze ook de basis kunnen vormen voor stroomvoorziening componenten. De resultaten die nu zijn bereikt, werden verkregen van een testchip waarvoor de nanobuizen werden geproduceerd met behulp van een reguliere Chemical Vapor Deposition (CVD) -procedure. Het prototype van de powertransistor kan zowel kleine motoren besturen als lichtgevende diodes (LED's). Alle procesparameters, zoals de temperatuur en materialen, zijn geschikt voor gebruik in combinatie met standaardprocessen voor de vervaardiging van halfgeleiders. Het groeiproces voor de koolstofnanobuisjes duurt slechts enkele minuten. Al in medio 2002 hadden de onderzoekers van Infineon de aandacht van het publiek getrokken toen ze de groei van koolstofnanobuizen op een gecontroleerde manier op vooraf gedefinieerde locaties op siliciumwafels toonden.

Vermogenhalfgeleiders zoals vermogens-MOSFET's (metaal-oxide-halfgeleider veldeffecttransistors) besturen elektronische belastingen in talloze toepassingen, zoals motoren en controllers. Hier is het cruciaal dat de vermogensschakelaars zo min mogelijk vermogensverlies veroorzaken, ondanks het feit dat ze schakelen tussen hoge spanningen en stromen. Dientengevolge zijn de schakelweerstand en de stroomdichtheid de belangrijkste karakteristieke waarden voor vermogenstransistoren. Moderne MOSFET's, zoals Infineon's CoolMOS-producten, bereiken schakelweerstanden van 20mΩ / mm ² en stroomdichtheden van 2000A / cm ². De hoge geleidbaarheid en het stroomvoerende vermogen dat koolstofnanobuizen bieden, kunnen deze waarden aanzienlijk verhogen. Infineon's onderzoekers konden aantonen dat de typische schakelweerstand voor power transistors gebouwd met koolstof nanobuizen 20 keer lager is dan voor conventionele transistors, wat resulteert in een overeenkomstig lager stroomverlies. Bovendien zijn op koolstof gebaseerde transistors bestand tegen stroomdichtheden die ongeveer 200 keer hoger zijn dan de niveaus die hun tegenhangers van silicium aankunnen. Een belangrijk kenmerk van nanobuisjes is dat ze van metaal of halfgeleiders kunnen zijn. zei dr. Franz Kreupl, projectmanager bij Infineon's onderzoek naar koolstofnanobuizen. Dit maakt het mogelijk om actieve schakelelementen te bouwen, zoals veldeffecttransistors voor het regelen van elektronische belastingen, en we zijn de eersten die dit met succes hebben aangetoond.

Aangezien een enkele nanobuis van koolstof met een diameter van 1 nm slechts ongeveer 24 microampère kan leveren, is de uitdaging om honderden of duizenden van de kleine buizen parallel te rangschikken om de gewenste stroomvoerende capaciteit te bereiken. Het eerste door Infineon ontwikkelde prototype bestaat uit ongeveer 300 parallelle buizen en levert 2mA bij 2,5V. Zoals Infineon met succes heeft aangetoond, is dit al voldoende om LED's of kleine motoren aan te drijven, wat een mijlpaal is op het gebied van moleculaire elektronica. Bovendien kan het prototype eenvoudig worden geschaald voor hogere vermogens.

Verschillende recente ontwikkelingen in nanotechnologie werden geïntegreerd in de productie van de nanotube-vermogenstransistor. Onder andere waren Infineon-onderzoekers in staat om kwalitatief hoogwaardige enkelwandige koolstofnanobuisjes te kweken op de 'lage' schaal. temperatuur van 600 ° C; tot nu toe vereiste dit temperaturen van ongeveer 900 ° C. Slechts één enkele lithografische stap is vereist om de gehele transistor te bouwen met de afvoer-, bron- en poortcontacten. Met de demonstrator van Infineon werden de afvoer- en broncontacten gemaakt van palladium. Silicium werd als het substraat gebruikt, hoewel elk geleidend materiaal zou volstaan. De onderzoekers groeiden vervolgens de koolstofnanobuisjes op een diëlektricum met hoge k aluminiumdioxidepoort. De koolstofnanobuisjes worden willekeurig verdeeld in een relatief eenvoudig proces, hoewel een voldoende aantal parallel is gerangschikt om te gebruiken voor de verbinding tussen de afvoer en de bron.

Achtergrondinformatie over koolstofnanobuisjes

Koolstof nanobuizen (CNT's) zijn macromoleculen gemaakt van koolstofatomen gerangschikt in een kooi-achtige plaat van zeshoeken die kleine holle cilinders (zoals gewalste kippengaas) vormen die lang en uitgerekt zijn. Ze kunnen lengtes tot 1 mm bereiken en hebben diameters van 0,4 nm tot meer dan 100 nm, afhankelijk van het aantal concentrische buizen in elkaar. Er zijn twee basistypen: enkelwandige CNT's (SWCNT's) en meerwandige CNT's (MWCNT's). SWCNT's hebben diameters tussen 0,4 en 5 nm. In vergelijking hiermee transformeert de traditionele siliciumprocestechnologie momenteel naar structuren met minimale diameters die 90 nm bereiken. Afhankelijk van de geometrie van de buis kunnen nanobuisjes van metaal of halfgeleiders zijn.

Naast hun metaaleigenschappen is hun belangrijkste voordeel te zien in de extreem hoge ladingdraaggolfmobiliteit van halfgeleidende SWCNT's, die die van silicium met een factor 200 overschrijdt. Desondanks zijn CNT's bestand tegen stroomdichtheden tot 10 ¹⁰A / cm². Dit is een extreem hoge waarde gezien het feit dat koper reeds begint te smelten met een stroomdichtheid van ongeveer 10 ⁷A / cm².

Gezien deze eigenschappen en het feit dat ?? zoals met polymeerelektronica ?? de productieprocessen zijn goedkoop, koolstofnanobuizen zijn potentieel goed geschikt voor uiteenlopende toepassingen. Het spectrum varieert van het dienen als een alternatief voor silicium en metallisatie in halfgeleiderchips, om te gebruiken in displays en sensoren, helemaal tot aan het werk in de vermogenshalfgeleiders die hier worden beschreven.

Infineon's onderzoeksactiviteiten op het gebied van koolstofnanobuisjes worden gesubsidieerd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF).