Graphen-Halbleiter Terahertz-Chips: Graphen mit BiCMOS-Halbleitern kombiniert

Graphen könnte aufgrund seiner Nichtlinearität die Grenzen bei der Schaltgeschwindigkeit in Chips nach oben verschieben. Nun ist es gelungen Graphen und BiCMOS-Halbleiter zu kombinieren: Der Halbleiter erzeugt ein Signal von mehreren 100 GHz, dessen Frequenz in Graphen vervielfacht wird. Fertig ist der Terahertz-Chip.

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Bei klassischen Halbleiterwerkstoffen ist die Schaltgeschwindigkeit aufgrund der Masseträgheit der Elektronen begrenzt. Vielversprechende neue Materialklassen ohne diese Masseträgheit sind Magnetwerkstoffe (Spintronik) und Graphen.

Graphen hat zudem eine Eigenschaft, die Physiker als Nichtlinearität bezeichnen: Die Frequenzen elektronischer Signale lassen sich ohne großen Energieverlust vervielfachen.

Diese These veranschaulicht Professor Dr. DmitryTurchinovich von der Universität Bielefeld gerne mithilfe eines thermodynamischen Modells: Werden die freien Elektronen im Graphen durch einen elektrischen Impuls angeregt, „verdampfen“ sie sehr schnell. Der „Elektronendampf“ gibt seine Energie an die Atome im Graphengitter ab und kondensiert wieder.

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In der „flüssigen“ Phase ist Graphen ein guter elektrischer Leiter, in der „Dampf“-Phase nicht. „In Graphen kann die Leitfähigkeit also durch den angelegten elektrischen Impuls an- und abgeschaltet werden – und zwar deutlich schneller als bei Halbleitermaterialien. Das erzeugt eine extrem starke Nichtlinearität“, erklärt Turchinovich.

Dass dies bis in den Terahertz-Bereich möglich ist, konnte Turchinovich gemeinsam mit Professor Dr. Michael Gensch von der TU Berlin nun erstmals experimentell zeigen. „Mit Graphen lassen sich hohe Frequenzen im sub-Terahertz-Bereich in extrem hohe Terahertz-Frequenzen umwandeln.“

Das hochfrequente Ausgangssignal habe man bislang in einer Teilchenbeschleuniger-basierten Strahlungsquelle erzeugt. Das verhinderte die Anwendbarkeit der Technologie. „Jetzt ist unser Ziel, diese Technologie so weiterzuentwickeln, dass sie in Kombination mit modernen Halbleiter-Chips funktioniert“, sagt Turchinovich.

„Graphen-on-chip“-Terahertz-Technologie

Die Wissenschaftler wollen das Ausgangssignal nun lokal erzeugen. Dazu arbeiten sie im SPP-Teilprojekt Integratech der DFG zusammen. SPP steht für Schwerpunktprogramm und Integratech für „Integrated graphene-on-chip terahertz technology“ (Integrierte Graphen-auf-Chip Terahertz-Technologie).

Im Projekt arbeiten Turchinovich und Gensch gemeinsam mit Professor Dr. Ullrich Pfeiffer von der Bergischen Universität Wuppertal. Ebenfalls beteiligt sind Dr. Klaas-Jan Tielrooij vom Katalanischen Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in Barcelona (Spanien), der während des Projekts als Mercator-Fellow an der Universität Bielefeld tätig ist, sowie Dr. Hassan A. Hafez Eid von der Arbeitsgruppe Terahertz-Physik in Bielefeld. Turchinovich koordiniert das Integratech-Projekt.

BiCMOS-Halbleiter kombiniert mit Graphen

Die Wissenschaftler verwenden dazu mit der BiCMOS-Technologie gefertigte Halbleiter aus Silizium und Germanium. Diese Schaltungen können elektrische Felder mit Frequenzen im Bereich mehrerer hundert Gigahertz generieren. „Unsere Idee ist, die Graphen- mit der Halbleitertechnologie zu kombinieren: Die Halbleiterschaltungen erzeugen das Ausgangssignal, dessen Frequenz dann wiederum in Graphen vervielfacht wird“, so Turchinovich. „Indem wir die Frequenzvervielfachung skalierbar machen, kommen wir der tatsächlichen Anwendung ein großes Stück näher.“

„Terahertzforschung wurde bislang weitestgehend isoliert in der Materialphysik, der Elektronik oder der Photonik betrieben. Im SPP bringen wir das Wissen aus diesen Disziplinen zusammen“, kommentiert Turchinovich, der das SPP Interest mitinitiiert hat und im Lenkungsausschuss sitzt.

Die Teilprojekte reichen von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung, etwa in der Astronomie, in der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation oder zur präzisen Detektion von Tumorgewebe in der Biomedizin. Gemeinsam ist ihnen, dass sie Erkenntnisse aus verschiedenen Bereichen integrieren: „So versuchen wir, neue und bessere Technologien zu erzeugen“, sagt Turchinovich.

Das DFG-Forschungsprojekt Integratech

Integratech ist im Januar 2022 gestartet und läuft bis Ende 2024 mit der Option auf eine Verlängerung um weitere drei Jahre. Das Projekt ist Teil des Schwerpunktprogramms (SPP) Interest, das von der Bergischen Universität Wuppertal koordiniert wird. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert Interest in den ersten drei Jahren zunächst mit 7,2 Millionen Euro. Davon gehen rund 300.000 Euro an die Universität Bielefeld.

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