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Der erste Operationsverstärker auf der Basis eines zweidimensionalen Materials

Der erste Operationsverstärker auf der Basis eines zweidimensionalen Materials 

Forscher von TU Wien,  AMO GmbH,  Pisa Universität und Bergische Universität Wuppertal haben den ersten Operationsverstärker auf der Basis des zweidimensionalen Halbleiters MoS2 realisiert und damit einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Vision einer flexiblen Elektronik auf der Basis zweidimensionaler Materialien erreicht. Dieses Ergebnis ist kürzlich in der Zeitschrift Nature Electronics erschienen.

Dank seiner hervorragenden elektronischen und mechanischen Eigenschaften ist der zweidimensionale Halbleiter MoS2 ein vielversprechendes Material für Anwendungen in der flexiblen Elektronik. Diese Vorteile wurden bereits hauptsächlich auf der Ebene einzelner Bauelemente demonstriert, aber bisher verhinderte die Variabilität der Bauelemente die Realisierung größerer und komplexerer Schaltungen, wie z.B. Operationsverstärker.

Nun hat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Thomas Müller (TU Wien) den ersten Operationsverstärker demonstriert, der vollständig auf MoS2 basiert. Dies ist ein Meilenstein auf dem Weg zu realen Anwendungen von zweidimensionalen (2D) Materialien, da es die hohe Reproduzierbarkeit und die Prozessreife der MoS2-Technologie demonstriert. In der Tat ist die Variabilität der von dem Team realisierten MoS2-Bauelemente mit der durch die Siliziumtechnologie erzielten Variabilität vergleichbar.

Operationsverstärker sind ein grundlegender Baustein für die analoge Elektronik. Zahlreiche Funktionalitäten – von einfachen Verstärkern bis hin zu komplexeren Systemen wie Addieren, Integratoren, Differenzierern, Puffern und Filtern – können mit ein und demselben Operationsverstärker realisiert werden. Unter diesem Standpunkt sind Operationsverstärker das entscheidende Element für die Entwicklung flexibler Schaltungen, die alle auf 2D-Materialien basieren, und überwinden die tatsächliche Beschränkung, bei der auf 2D-Materialien basierende Sensoren mit traditionellen siliziumbasierten Komponenten verbunden werden.

“Der Gewinn unseres Operationsverstärkers ist immer noch nicht so hoch wie bei kommerziellen Siliziumbauteilen”, sagt Thomas Müller, “aber wir glauben, dass ein fehlertoleranteres Design, Verbesserungen in der Verarbeitungs- und Materialqualität und vor allem die Entwicklung der CMOS-Technologie in 2D-Materialien ihn auf ein wettbewerbsfähiges Niveau bringen wird”. Der Gewinn des neuen Operationsverstärkers beträgt 36 dB und ist der höchste Wert, der bisher mit einer Dünnfilm-Transistortechnologie erreicht wurde, die die Basistechnologie in der flexiblen Elektronik darstellt.

Der MoS2-Operationsverstärker ist auch ein Meilenstein für das Projekt ORIGENAL – ein Horizon 2020 FET-Open-Projekt, das eine massive 3D-Integration elektronischer Schaltungen durch Faltungsschaltungen erreichen will, die mit einer Dünnfilm-Transistortechnologie auf einem dünnen Foliensubstrat realisiert werden. “Für flexible und faltbare Elektronik, wie sie von ORIGENAL angestrebt wird, ist eine leistungsstarke Transistortechnologie unerlässlich, um wettbewerbsfähige Leistungsparameter zu erreichen”, sagt Daniel Neumaier, Projektkoordinator von ORIGENAL. “Diese Arbeit zeigt, dass MoS2 das beste verfügbare Material ist, um komplexe und hochmoderne Schaltungen mit einer Dünnfilm-Transistortechnologie, wie sie in unserem Projekt angestrebt wird, zu realisieren.“

Die Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen TU Wien, AMO GmbH, Pisa Universität  und Bergische Universität Wuppertal.

Bibliographische Angaben:

“Analogue two-dimensional semiconductor electronics”
Dmitry K. Polyushkin Stefan Wachter, Lukas Mennel, Maksym Paliy, Giuseppe Iannaccone, Gianluca Fiori, Daniel Neumaier, Barbara Canto and Thomas Mueller, Nature Electronics (2020).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-020-0460-6
ArXiv: https://arxiv.org/abs/1909.00203