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Flexible Sputter-Technologie zur Herstellung von Al2O3 Gate-Isolatoren auf Graphen

13.11.2012

Eine der in der Praxis wichtigsten Eigenschaften von Graphen ist die relativ einfache Kontrolle der Ladungsträgerdichte, typischerweise durch Nutzung einer elektrostatisch wirkenden Steuerelektrode („gate“). Diese Eigenschaft, in Verbindung mit einer sehr hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, macht Graphen zu einem aussichtsreichen Material für zukünftige Anwendungen in der Elektronik, aber auch in der Widerstandsmetrologie. Beides verlangt nach Technologien, mit denen  großflächig hergestelltes Graphen (z.B. durch Wachstum auf Silizium-Karbid) auch großflächig mit metallischen Gate-Elektroden auf geeigneten Isolationsschichten belegt werden kann.

Bisher konzentrierten sich die Versuche zur Herstellung von Gate-Elektroden wegen des Vorteils der hohen relativen Dielektrizitätskonstante vor allem auf Materialien wie HfO2 und Al2O3 als Isolatoren, die im aufwendigen atomic-layer-deposition (ALD) Verfahren atomlagenweise abgeschieden werden. In der PTB wurde nun gezeigt, dass mit dem einfacheren und damit ökonomisch günstigeren Verfahren des thermischen Sputterns ebenfalls sehr gute Isolationsschichten hergestellt werden können. Bezüglich der Eigenschaften geringe Hysterese, hohe Durchbruchspannung und hohe Dielektrizitätskonstante sind die gesputterten Schichten mit den besten im ALD Verfahren hergestellten Schichten vergleichbar.

Dies wurde mit Hall-Effekt Bauelementen gezeigt, die im Reinraumzentrum der PTB hergestellt wurden. In den Bauelementen wurde durch Exfoliation aus Graphit gewonnenes Graphen zwischen zwei Gate-Elektroden angeordnet, die auf der Unterseite durch das Substratdielektrikum SiO2 und auf der Oberseite durch gesputtertes Al2O3 isoliert waren. Die mit der Sputtermethode gefertigten Gate-Elektroden erlaubten die gleiche Ladungsträgerdichtesteuerung wie die konventionelle Rück-Elektrode mit SiO2, wie erwartet bei deutlich geringeren Steuerspannungen aufgrund der höheren Dielektrizitätszahl und der geringeren Dicke des Isolators. Die Ergebnisse sind bedeutsam für zukünftige Graphen-Anwendungen, bei denen eine Kontrolle der Ladungsträger wichtig ist, wie z.B. bei einer Anwendung als Quanten-Normal des elektrischen Widerstands.

 

 

 

Bild: (a) Elektrischer Widerstand von Graphen als Funktion der Spannungen an Deck- und Rück-Elektroden (schwarze und rote Kurve). (b) Das eingefügte Bild zeigt das Hall-Effekt Bauelement und das Schema der elektrischen Messung.

 

 

 

 

 

Ansprechpartner:  F. J. Ahlers
Fachbereich 2.6 :  Elektrische Quantenmetrologie