Fundamentals for ballistic electronics in graphene

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Ulrich Kunze
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 190556033

Dieses Projekt ist Teil eines interdisziplinären Ansatzes zur Untersuchung der Grundlagen des ballistischen Ladungstransports in Graphen, getragen durch Gruppen aus den Materialwissenschaften und der Elektrotechnik. Die Studien überstreichen die materialwissenschaftlichen und prozesstechnischen Grundlagen, die störenden Mechanismen und die Implementierung der Nanoballistik in neuartige graphenbasierte Bauelementstrukturen. Ausgangsmaterialien sind (i) exfolierte Graphenflocken auf entartetem Si/Isolator Substrat und (ii) epitaktisches Graphen auf semiisolierendem 6H-SiC. Die Charakterisierung der Schichten und die Bestimmung der Zahl der Lagen werden durch AFM und Raman-Spektroskopie durchgeführt. Laterale Mikro- und Nanostrukturen werden durch Elektronenstrahllithografie und reaktives Ionenätzen definiert. Substratisolatoren für exfoliertes Graphen sind entweder SiO2 oder durch MOCVD abgeschiedene Dielektrika mit hoher DK oder Polymerschichten. Obere Gate-Isolatorschichten auch für epitaktisches Graphen werden ebenfalls mittels MOCVD deponiert oder als Polymerfilm aufgeschleudert. Das Si-Gate und/oder globale und lokale Oberflächen- und Seiten-Gates werden für die Steuerung der Ladungsträgerdichten in Hall-Strukturen eingesetzt. Von den erprobten Verfahren werden die mit der besten resultierenden Beweglichkeit für die Herstellung ballistischer Nano- Leiterkreuze auf Einzel- und Bilagen-Graphen verwendet. In Leiterkreuzen wird der gatespannungs-, magnetfeld- und temperaturabhängige Knickwiderstand als Indikator für den ballistischen Transport herangezogen. Zu studierende Mechanismen sind die Streuung an Stufenkanten im SiC und an der Grenzlinie zwischen ein- und zweilagigem Graphen. Das Verschieben des Fermi-Niveaus dicht an den Dirac-Punkt oder die Induzierung eines lateralen p-n-Überganges am Zentrum des Kreuzes ermöglichen die Untersuchung der Wirkung des Klein-Tunnelns auf die Nanoballistik. Der ballistische Transport wird auf die Vollwellengleichrichtung an einem asymmetrischen Leiterkreuz angewendet. In diesen Bauelementen müssen die Beiträge durch Trägheitsballistik und Heiße-Elektronen- Thermospannung unterschieden werden. Fernziel ist ein Betrieb der ballistischen Gleichrichter bei Raumtemperatur als Detektor für hohe Frequenzen.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Dr. Claudia Bock