WO2009040375A1 - Elektronisches bauelement mit schalteigenschaften - Google Patents

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Max C. Lemme
Tim J. Echtermeyer
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    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/468—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics
    • H10K10/472—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics the gate dielectric comprising only inorganic materials

Definitions

  • the invention relates to an electronic component which has switching characteristics and preferably also memory properties. It is similar to a field effect transistor, it works with the field effect. It is not designed as a semiconductor device, but operates with at least one monomolecular layer, as it is present in a graphite crystal and is referred to as graphene. As is known, the crystal lattice of the graphite is a layer lattice, consisting of many superimposed carbon layers, in which the C atoms are joined together to form lumps.
  • the present invention relates to a very small-scale switch, which is preferably also a non-volatile memory module.
  • the object of the invention is to specify a very highly scalable electronic component which can be used as a switch and in particular as a non-volatile memory.
  • an electronic component with switching properties which has a gate electrode and a gate-electrode adjacent to this source-drain path, the source-drain path having a source electrode, a drain electrode and a graphene arrangement therebetween at least one, a maximum of ten graphene monolayers, wherein a gate insulator is arranged between this graphene arrangement and the gate electrode.
  • This device exhibits an extreme signal swing of up to 7 orders of magnitude in the conductivity of the source-drain path. This signal swing is achieved between the on state and the off state. In that regard, there are significant improvements over the known in the prior art devices. It will be a very good sign nal / smoke ratio achieved. At the same time, there is a great potential for multi-bit storage.
  • the device according to the invention is very highly scalable, i. it may be smaller geometric dimensions to some Benzenringen, i. can be achieved below 5 nm.
  • the graphene layers and the complete assembly can be subsequently applied to existing components, for example also to conventional integrated circuits in silicon technology. A three-dimensional integration is possible.
  • the effect achieved is attributed to a chemical reaction, e.g., a molecular migration, rearrangement, or transfer. Perhaps molecules are rearranged to graphene layers, their adsorption state is changed, charge migration takes place in these molecules, or they intervene in a redox system. There is a storage of electrical charge for the information storage, thereby eliminating all with a pure charge storage (electron storage) connected problems, in particular, larger storage periods are possible.
  • the electronic component according to the invention makes it possible to read out the memory information without changing the stored information, that is to say a so-called non-invasive read-out. It is possible to use small readout impulses which impede a restart, only when there is a sufficiently large current impulse the reclosing is carried out. Finally, there is an operating window in which a sequence of equal pulses leads to a successive signal shift, this can be interpreted as a learning ability. An application in neural networks is thus possible.
  • the electronic component is also referred to as graphene field effect element.
  • the conductivity of a source-drain path can be controlled by applying a voltage to the gate electrode. This reduces the conductivity within the graphene arrangement over many orders of magnitude.
  • the starting state is the switched-on state of the graphene arrangement, in which the graphene arrangement and thus the source-drain path have high conductivity.
  • the switched-off state is achieved by applying a critical gate voltage, namely a gate voltage equal to or above a threshold value. When switched off, the graphene arrangement and thus the source-drain path has low conductivity.
  • FIG. 2 shows a plan view of the electronic component according to FIG. 1, shown partially in section, FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view similar to Figure 1 of a second embodiment
  • FIG. 4 shows a representation according to FIG. 1, but now in a third embodiment, FIG.
  • Track shows after different writing and reading cycles and 8 shows a diagram of the current Id of the source-drain path as a function of time for a given gate voltage.
  • a silicon body 20 which is also referred to as a back electrode, thermal silicon oxide of predetermined thickness is applied.
  • the corresponding layer is referred to as the back layer 22. It may be an insulator, as in the case described, but it may also have semiconductor properties. What matters is that their conductivities do not compete with the conductivity of the graphene array 24 to be described.
  • a graphene assembly 24 is applied on this back layer 22 . It consists of at least one and a maximum of ten, preferably a maximum of seven monolayers of graphite, ie graphene. Preferably, only so few layers of graphene are provided that no volume properties are yet present; experience has shown that volume properties start at about seven monolayers.
  • the graphene array 24 is about 800 nm wide and at least ten times as long as wide, in the exemplary embodiment about fourteen times as long as wide.
  • Metallic electrodes are applied to the respective end regions, namely a source electrode 26 and a drain electrode 28. These electrodes are of identical construction. They cover the end regions of the graphene arrangement 24 and have electrical contact with them.
  • a gate insulator 32 is applied to the top of the graphene arrangement 24, it covers the graphene arrangement 24 at least in the middle region, in the embodiment shown it completely covers it. As a result, protection, in particular mechanical protection, of the graphene arrangement 24 is achieved.
  • the gate insulator 32 is created by sputtered-on silica, the thickness is about 20 nm, it is in the range between 5 and 100 nm. Instead of the selected silicon dioxide, other corresponding insulating materials, including thin layers of paint can be used.
  • a gate electrode 34 is applied, it is made as well as the other electrodes 26, 28, there are also the aforementioned metals into consideration.
  • the same metal is selected for the electrodes 26, 28 and 34, respectively.
  • the gate electrode 34 covers the graphene arrangement 24 over only a small part of its total length, leaving more than 50% of the total length free.
  • the covered length is about 1 to 3 times the width dimension.
  • Figure 1 also shows the electrical arrangement for the measurements made, which will be discussed below.
  • a voltage source 36 with a predetermined output voltage and an in series with this connected current measuring device 38 are provided in a known manner.
  • a pulse voltage generator 40 can also be used as the voltage source, it is preferably designed as a constant current source and can be set to different current values. The duration of the pulses is for example 80 microseconds.
  • the gate electrode 34 is connected to one of the electrodes 26, 28 via a controllable gate voltage source 46.
  • the second embodiment according to FIG. 3 will now be described below. It differs from the first embodiment as follows:
  • the gate insulator 32 is now formed by a small water droplet 42, which has direct contact with the graphene assembly 24 and there forms a dipole in a known manner, which represents the actual isolation.
  • An insulation 44 is provided between the water drop 42 and each electrode 26, 28, in the present case are narrow strips of PMMA, both of which extend so far to the central region of the graphene arrangement 24, that there is a nearly square region or a region similar as in Figure 1 remains free.
  • the water drop 42 can only make contact with this area; otherwise, as shown in FIG. 3, it lies on the insulation 44 but does not extend as far as the electrodes 26, 28.
  • a metal pin is now provided as the gate electrode 34.
  • the water has a conductivity.
  • the third embodiment of Figure 4 has much similarity with the first embodiment, but now the rear layer 22 is formed of PMMA. This is preferably provided with a slightly conductive layer to avoid electrostatic charges.
  • a metal block is used, for example, a piece of copper sheet or aluminum sheet.
  • the source-drain path is brought into the switched-off state.
  • This voltage is referred to as the critical gate voltage Uk.
  • the first three bars on the left which are valid for a gate voltage greater than -5 V, ie on the one hand negative and on the other hand with an absolute value of less than 5, show three successive queries of the switched-on state on the very left in the image, it is also each note the bit "1" on the x-axis.
  • the voltage source 36 is replaced by a pulse generator 40 and is passed through the source-drain path, a current and / or voltage pulse of about 80 microseconds duration, resulting in a current pulse of 20 uA, Although the conductivity of the source-drain path increases, but remains in the central region, the state is referred to as operating state c. With each current pulse, the conductivity continues to increase, but the rise does not go beyond the middle range, but rather it runs into saturation. In Figure 7, this saturation can be seen. As a fourth to ninth query, each labeled "0”, each current pulse below 50 ⁇ A, the conductivity remains in the range of 100 nS, where there is saturation State she is three orders of magnitude higher.
  • the switched-on state is achieved by the last query in FIG. 7, which takes place with a current value of 50 ⁇ A as pulse, it can be seen that the conductance has the original value again. In Figure 5 this can be seen on the last curve "recovered", which coincides practically with the initial curve "Initial”.
  • the state is referred to as operating state d.
  • the component can be influenced not only via current pulses but also via the gate voltage.
  • Tetilfer IV a turn-on state is passed, starting from a gate voltage of + 5V, the conductivity initially low, until the gate voltage decreases a value of about -IV is reached. At this value, the conductivity increases sharply and reaches the high value, which is present for example at a gate voltage of -2V. There then occurs again a drop in the range of a gate voltage of -3 to -3.5V, then, at lower Gate voltages, for example at -5V, the device is again in the off state.
  • the partial images V and VI as well as VII and VIII show what can be observed in repetitions of the processes described.
  • the partial images V and VI show the first repetition, the partial images VII and VIII the second repetition. It turns out that the gate voltages at which a switching process occurs, remain constant, but the high conductivity is no longer achieved, especially in the third repetition, where only conductivities in the middle range, three orders of magnitude below that of the sub-images III and IV, to be achieved.
  • FIG. 8 shows the time-dependent behavior of the collapse of the current Id through the source-drain path at a fixed path voltage of -5.5 V over the course of time. It can be seen that, in the initial state, the conductivity is high and decreases more rapidly over time, for instance parabolic, after 150 seconds a conductivity is reached which is about seven orders of magnitude below the output conductivity. This is retained until 250 seconds, the end of the measurement.
  • the component always remembers the last occupied operating state, even if it is switched off in the meantime. Is between the individual operating conditions a. until h or within one of these operating states, the voltage applied to the source-drain path and / or the gate voltage is switched off, then the respective previously assumed operating state is resumed after restarting the voltages
  • Fig. 7 The results shown in Fig. 7 are also achieved when the two voltage values -5V are replaced by -4V.
  • a permeable gate stack ie for example SiO 2 / metal (which, for example, is permeable to H 2 O and its products) or an exposed graphene surface
  • use as a sensor is possible.
  • a surface modification of the graphene a conductivity change is caused, which can be detected.
  • a subsequent desorption of the adsorbates can be done for example by a current pulse, so that the sensor is back in the original state.
  • the graphene surface with chemical groups is conceivable (keyword: suitable "gate stack", functionalization), which react only with the desired substance or somehow make a bond with this.
  • the component can also be operated as a bipolar. Then, the gate electrode 34 is always connected. However, either only the source electrode 26 or only the drain electrode 28 is connected. One of these electrodes 26, 28 then does not necessarily have to be present.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften, das eine Gateelektrode (34) und eine dieser Gateelektrode (34) benachbarte Source-Drain-Strecke aufweist, wobei die Source-Drain-Strecke eine Source-Elektrode (26), eine Drain-Elektrode (28) und eine dazwischen befindliche Graphen-Anordnung (24) mit mindestens einer, maximal zehn Graphen-Monolagen aufweist, wobei zwischen dieser Graphen-Anordnung und der Gateelektrode (34) ein Gateisolator (32) angeordnet ist.

Description

Bezeichnung: Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Bauelement, das Schalteigenschaften und vorzugsweise auch Speichereigenschaften aufweist. Es hat Ähnlichkeit mit einem Feldeffekttransistor, es arbeitet mit dem Feldeffekt. Es ist nicht als Halbleiterbauelement ausgeführt, sondern arbeitet mit mindestens einer monomolekularen Lage, wie sie in einem Graphit-Kristall vorliegt und als Graphen bezeichnet wird. Bekanntlich ist das Kristallgitter des Graphits ein Schichtengitter, es besteht aus vielen, übereinandergelagerten Kohlenstoffschichten, in welchem die C-Atome zu lauter Sechsecken zusammengefügt sind.
Man ist bestrebt, elektronische Bauelemente kleiner und kleiner auszubilden. Abmessungen unterhalb von 10 nm sind angestrebt. Beabsichtigt ist eine Verschmelzung von Logik und Speicher. Auch Bauelemente für Rechner auf der Basis neuronaler Netzwerke werden angestrebt. In diesem Sinne ist die vorliegende Erfindung zu verstehen. Sie betrifft insbesondere einen sehr klein aufbaubaren Schalter, der vorzugsweise auch ein nicht flüchtiger Speicherbaustein ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein sehr stark skalierbares elektronisches Bauelement anzugeben, das sich als Schalter und insbesondere auch als nicht flüchtiger Speicher einsetzen lässt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften, das eine Gateelektrode und eine dieser Gateelektrode benachbarte Source-Drain-Strecke aufweist, wobei die Source-Drain-Strecke eine Source- Elektrode, eine Drain-Elektrode und eine dazwischen befindliche Graphen- Anordnung mit mindestens einer, maximal zehn Graphen-Monolagen aufweist, wobei zwischen dieser Graphen-Anordnung und der Gateelektrode ein Gateisolator angeordnet ist.
Dieses Bauelement zeigt einen extremen Signalhub von bis zu 7 Größenordnungen in der Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke. Dieser Signalhub wird zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand erreicht. Insoweit liegen erhebliche Verbesserungen gegenüber den im Stand der Technik bekannten Bauelementen vor. Es wird auf diese Weise ein sehr gutes Sig- nal/Rauchverhältnis erzielt. Gleichzeitig gibt es ein großes Potential zur Multi-Bit- Speicherung.
Das erfindungsgemäße Bauelement ist sehr stark skalierbar, d.h. es können geringere geometrische Abmessungen bis hin zu einigen Benzenringen, d.h. unterhalb von 5 nm erreicht werden. Die Graphenschichten und die komplette Anordnung kann nachträglich auf vorhandene Bauelemente aufgebracht werden, beispielsweise auch auf herkömmliche integrierte Schaltungen in Silizium-Technik. Eine dreidimensionale Integration ist möglich.
Die erreichte Wirkung wird auf eine chemische Reaktion, z.B eine Molekülwanderung, -umlagerung oder -Umladung zurückgeführt. Möglicherweise werden Moleküle an Graphenschichten umgelagert, wird ihr Adsorbtionszustand geändert, findet eine Ladungswanderung in diesen Molekülen statt oder wird in ein Redox- system eingegriffen. Es erfolgt eine Speicherung elektrischer Ladung für die In- formationsspeicherung, dadurch entfallen alle mit einen reinen Ladungsspeiche- rung (Elektronenspeicherung) verbundenen Probleme, insbesondere sind größere Speicherzeiträume möglich. Das erfindungsgemäße elektronische Bauelement ermöglicht ein Auslesen der Speicherinformation ohne Veränderung der gespeicherten Information, also ein so genanntes nicht-invasives Auslesen. Es können kleine Ausleseimpulse angewendet werden, die ein Wiedereinschalten behindern, erst bei ausreichendem großem Stromimpuls wird das Wiedereinschalten durchgeführt. Schließlich existiert ein Betriebsfenster, in dem eine Folge gleicher Pulse zu einer sukzessiven Signalverschiebung führt, dies kann als Lernfähigkeit interpretiert werden. Eine Anwendung in neuronalen Netzen wird damit möglich.
Das elektronische Bauelement wird auch als Graphen-Feldeffekt-Element bezeichnet. Die Leitfähigkeit einer Source-Drain-Strecke kann durch Anlegen einer Spannung an der Gateelektrode gesteuert werden. Hierdurch reduziert sich die Leitfähigkeit innerhalb der Graphen-Anordnung über viele Größenordnungen. Als Ausgangszustand wird der eingeschaltete Zustand der Graphen-Anordnung angesehen, in dieser hat die Graphen-Anordnung und damit die Source-Drain-Strecke hohe Leitfähigkeit. Der abgeschaltete Zustand wird durch Anlegen einer kritisc- chen Gatespannung, nämlich einer Gatespannung gleich oder oberhalb eines Schwellenwertes, erreicht. Im abgeschalteten Zustand hat die Graphen- Anordnung und damit die Source-Drain-Strecke geringe Leitfähigkeit. Durch An- legen eines Spannungspulses, der zu einem Strompuls durch die Source-Drain- Strecke mit ausreichender Stromstärke führt, oder durch das Anlegen einer Gatespannung mit einem zweiten Spannungswert kann die Leitfähigkeit wieder hergestellt werden. Dies wird darauf zurückgeführt, dass das Graphen reduziert ist und sich wieder im eingeschalteten Zustand befindet. Offensichtlich wird ein Re- dox-Prozess durch elektrische Felder bzw. thermisch gesteuert.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und erläutert, diese sind nicht einschränkend zu verstehen, dienen vielmehr dem besseren Verständnis, aber auch der Erläuterung weiterer Vorteile und Merkmale. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, in dieser Zeichnung zeigen :
Fig. 1. : Eine Querschnittsdarstellung des elektronischen Bauelements,
Fig. 2: eine Draufsicht auf das elektronische Bauelement nach Figur 1, teilweise geschnitten dargestellt,
Fig. 3: eine querschnittliche Ansicht ähnlich Figur 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4: eine Darstellung gemäß Figur 1, jedoch nun in einer dritten Ausführung,
Fig. 5: ein Diagramm des Stromes Isd durch die Source-Drain-Strecke über der Spannung Vsd über diese Strecke in unterschiedlichen Zuständen,
Fig. 6: ein Diagramm der Abhängigkeit der Leitfähigkeit der Source-Drain-
Strecke in Abhängigkeit von der Gatespannung für vier unterschiedliche Zustände eins bis vier, die nacheinander abgefahren werden,
Fig. 7: ein Diagramm, das den Leitwert G in Siemens der Source-Drain-
Strecke nach verschiedenen Schreib- und Lesezyklen zeigt und Fig. 8: ein Diagramm des Stromes Id der Source-Drain-Strecke in Abhängigkeit von der Zeit bei vorgegebener Gatespannung.
Zunächst wird der Aufbau des elektronischen Bauelementes anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. Auf einen Siliziumkörper 20, der auch als Back-Elektrode bezeichnet, ist thermisches Siliziumoxid vorgegebener Dicke aufgebracht. Die entsprechende Lage wird als rückwärtige Schicht 22 bezeichnet. Sie kann, wie im beschriebenen Fall, ein Isolator sein, sie kann aber auch Halbleitereigenschaften aufweisen. Entscheidend ist, dass ihre Leitfähigkeiten nicht mit der Leitfähigkeit der weiter zu beschreibenden Graphen-Anordnung 24 konkurriert.
Auf diese rückwärtige Schicht 22 ist eine Graphen-Anordnung 24 aufgebracht. Sie besteht aus mindestens einer und maximal zehn, vorzugsweise maximal sieben Monolagen aus Graphit, also Graphen. Vorzugsweise sind nur so wenige Lagen an Graphen vorgesehen, dass noch keine Volumeneigenschaften vorliegen, erfahrungsgemäß setzen die Volumeneigenschaften bei etwa sieben Monolagen ein.
Die Graphen-Anordnung 24 ist etwa 800 nm breit und mindestens zehnmal so lang wie breit, im Ausführungsbeispiel etwa vierzehnmal so lang wie breit. Auf die jeweiligen Endbereiche sind metallische Elektroden aufgebracht, nämlich eine Source-Elektrode 26 und eine Drain-Elektrode 28. Diese Elektroden sind baugleich. Sie überdecken die Endbereiche der Graphen-Anordnung 24 und haben mit ihnen elektrischen Kontakt. Als Metall für die Elektroden 26, 28 wird Ti/Au, W, AI, Cu und dergleichen verwendet. An die Elektroden 26, 28 sind Zuleitungen 30 angeschlossen.
Weiterhin ist oben auf die Graphen-Anordnung 24 ein Gateisolator 32 aufgebracht, er überdeckt die Graphen-Anordnung 24 zumindest im Mittelbereich, im gezeigten Ausführungsbeispiel überdeckt er sie vollständig. Dadurch wird auch ein Schutz, insbesondere mechanischer Schutz, der Graphen-Anordnung 24 erreicht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Gateisolator 32 durch aufgesput- tertes Siliziumdioxid erstellt, die Dicke ist etwa 20 nm, sie liegt im Bereich zwischen 5 und 100 nm. Anstelle des gewählten Siliziumdioxids können auch andere entsprechende Isoliermaterialien, auch dünne Lackschichten, verwendet werden. Auf den Gateisolator 32 ist eine Gateelektrode 34 aufgebracht, sie ist ebenso hergestellt wie die anderen Elektroden 26, 28, es kommen auch die bereits genannten Metalle in Betracht. Vorzugsweise wird für die Elektroden 26, 28 und 34 jeweils dasselbe Metall gewählt. Wie insbesondere Figur 2 zeigt, überdeckt die Gateelektrode 34 die Graphen-Anordnung 24 nur über einen geringen Teil ihrer Gesamtlänge, es bleiben mehr als 50% der Gesamtlänge frei. Die überdeckte Länge entspricht etwa dem 1 bis 3-fachen der Breitenabmessung.
Figur 1 zeigt auch die elektrische Anordnung für die durchgeführten Messungen, die im Folgenden besprochen werden. Über eine geeignete Vorrichtung wird die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke, also zwischen den beiden Elektroden 26, 28, erfasst. Hierzu sind in bekannter Weise eine Spannungsquelle 36 mit vorgegebener Ausgangsspannung und ein in Reihe mit dieser geschaltetes Strommessgerät 38 vorgesehen. Alternativ zur Spannungsquelle 36 kann auch ein Impulsspannungsgenerator 40 als Spannungsquelle verwendet werden, er ist vorzugsweise als Konstantstromquelle ausgebildet und kann auf unterschiedliche Stromwerte eingestellt werden. Die Dauer der Pulse beträgt beispielsweise 80 Mikrosekunden. Die Gateelektrode 34 ist über eine regelbare Gate- Spannungsquelle 46 mit einer der Elektroden 26, 28 verbunden.
Im Folgenden wird nun die zweite Ausführung nach Figur 3 beschrieben. Sie unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel wie folgt: Der Gateisolator 32 wird nun von einem kleinen Wassertropfen 42 gebildet, der unmittelbar Kontakt mit der Graphen-Anordnung 24 hat und dort in bekannter Weise eine Dipollage bildet, die die eigentliche Isolation darstellt. Zwischen dem Wassertropfen 42 und jeder Elektrode 26, 28 ist eine Isolation 44 vorgesehen, im vorliegenden Falle sind es schmale Streifen aus PMMA, die beide soweit bis zum mittleren Bereich der Graphen-Anordnung 24 ragen, dass dort ein nahezu quadratischer Bereich bzw. ein Bereich ähnlich wie in Figur 1 frei bleibt. Nur mit diesem Bereich kann der Wassertropfen 42 Kontakt machen, er liegt ansonsten, wie auch Figur 3 zeigt, auf der Isolation 44 auf, erstreckt sich aber nicht bis hin zu den Elektroden 26, 28. Als Gateelektrode 34 ist nun ein Metallstift vorgesehen. Das Wasser hat eine Leitfähigkeit. Das dritte Ausführungsbeispiel nach Figur 4 hat weitgehende Ähnlichkeit mit dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch ist nunmehr die rückwärtige Schicht 22 aus PMMA ausgebildet. Dieses ist vorzugsweise mit einer geringfügig leitenden Schicht versehen, um elektrostatische Aufladungen zu vermeiden. Als Körper 20 wird ein Metallblock verwendet, beispielsweise ein Stück aus Kupferblech oder Aluminiumblech.
Im Folgenden werden nun die Messergebnisse besprochen : Im Ausgangszustand befindet sich das Bauelement im eingeschalteten Zustand, siehe Kurve „Initial" in Figur 5. In diesem Zustand ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke im Bereich einer Gatespannung zwischen -4V und +4V konstant, hoch und auch unabhängig von der Richtung des Stromflusses, siehe Fig. 6 Teilbilder I und II, der Zustand wird als Betriebszustand a bezeichnet. Die linken Teilbilder der Figur 6 durchfahren jeweils die Gatespannung von negativer in positive Richtung, die rechten Teilbilder in der Gegenrichtung, siehe Pfeile hinter Source-Drain bzw. Hin-Messung und Rück-Messung.
Durch Anlegen einer ausreichend großen, in diesem Fall negativen Gate- Spannung, hier -5V, wird die Source-Drain-Strecke in den abgeschalteten Zustand gebracht. Diese Spannung wird als kritische Gatespannung Uk bezeichnet. Der abgeschaltete Zustand ist in der tiefstliegenden Kennlinie in Figur 5 „after induced brakedown" dargestellt, dieser Zustand wird als Betriebszustand b bezeichnet. Man stellt fest, dass zwischen diesen beiden Zuständen a und b ein Lei- tungsfähigkeitsunterschied von mehr als sechs Größenordnungen besteht. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass bei einer Gate-Spannung von -4V der Effekt des Ausschaltens noch nicht auftritt, jedoch bei einer kritischen Gate- Spannung Uk = -5V zu beobachten ist.
In Fig. 7 zeigen die ersten drei Balken links, die für eine Gate-Spannung größer - 5V gelten, also einerseits negativ und andererseits mit einem Absolutwert kleiner 5 gelten, ganz links im Bild drei sukzessive Abfragen des eingeschalteten Zu- standes, es ist auch jeweils das Bit „1" auf der x-Achse vermerkt.
Wird nun die Spannungsquelle 36 durch einen Impulsgenerator 40 ersetzt und wird durch die Source-Drain-Strecke ein Strom- und/oder Spannungspuls von etwa 80 Mikrosekunden Dauer geleitet, der zu einem Strompuls von 20 μA führt, so steigt die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke zwar an, bleibt aber im mittleren Bereich, der Zustand wird als Betriebszustand c bezeichnet. Bei jedem Strompuls steigt die Leitfähigkeit weiter an, der Anstieg geht aber nicht über den mittleren Bereich hinaus, vielmehr läuft er in eine Sättigung. In Figur 7 ist diese Sättigung zu erkennen. Figur 7 zeigt als vierte bis neunte Abfrage, die jeweils mit „0" gekennzeichnet ist, jeweils Strompulse unterhalb von 50 μA, die Leitfähigkeit bleibt im Bereich von 100 nS, wo eine Sättigung vorliegt. Im abgeschalteten Zustand ist sie drei Zehnerpotenzen tiefer. Im angeschalteten Zustand ist sie drei Zehnerpotenzen höher.
Der angeschaltete Zustand wird erreicht durch die letzte Abfrage in Figur 7, die mit einem Stromwert von 50 μA als Puls erfolgt, es ist zu erkennen, dass der Leitwert wieder den ursprünglichen Wert hat. In Figur 5 ist dies an der letzten Kurve „recovered" zu erkennen, die praktisch mit der Erstkurve „Initial" zusammenfällt. Der Zustand wird als Betriebszustand d bezeichnet. Der Stromwert Il = 50 μA wird als Schwellenwert bezeichnet.
In Figur 6 ist nun noch folgendes zu erkennen : Nicht nur über Strompulse, sondern auch über die Gate-Spannung kann das Bauelement beeinflusst werden. Das Teilbild III von Figur 6 zeigt folgendes: Wird ausgehend von dem Wert für die kritische Gate-Spannung Uk die Gate-Spannung erhöht auf größere Werte, so bleibt die Leitfähigkeit unterhalb einer Gate-Spannung Ul, die hier den Wert von ca. 0 V hat, gering (Betriebszustand e) und springt bei Ul abrupt über ca. 6 Größenordnungen auf den Wert hoher Leitfähigkeit (Betriebszustand f). Wird die Gate-Spannung weiter erhöht, also von Ul = O auf größere Werte, so bleibt der hohe Wert der Leitfähigkeit erhalten bis unterhalb einer Gate-Spannung U2 (Betriebszustand g). Bei der Gate-Spannung U2 springt der Wert der Leitfähigkeit wieder auf den geringen Wert (Betriebszustand h).
Auch in der Rückmessung, also mit entgegengesetzter Polung der Source-Drain- Strecke, siehe Tetilbild IV, wird ein Einschaltzustand durchlaufen, ausgehend von einer Gate-Spannung von +5V bleibt die Leitfähigkeit zunächst gering, bis beim Erniedrigen der Gate-Spannung ein Wert von etwa -IV erreicht wird. Bei diesem Wert steigt die Leitfähigkeit stark an und erreicht den hohen Wert, der z.B. bei einer Gate-Spannung von -2V vorliegt. Es findet dann wieder ein Abfall im Bereich einer Gate-Spannung von -3 bis -3,5V statt, anschließend, bei geringeren Gate-Spannungen, beispielsweise bei -5V, ist das Bauelement wieder im ausgeschalteten Zustand.
Die Teilbilder V und VI sowie VII und VIII zeigen, was bei Wiederholungen der beschriebenen Vorgänge zu beobachten ist. Die Teilbilder V und VI zeigen die erste Wiederholung, die Teilbilder VII und VIII die zweite Wiederholung. Es zeigt sich, dass die Gate-Spannungen, bei denen ein Schaltvorgang auftritt, konstant bleiben, jedoch wird die hohe Leitfähigkeit insbesondere bei der dritten Wiederholung nicht mehr erreicht, wo nur noch Leitfähigkeiten im mittleren Bereich, drei Zehnerpotenzen unterhalb denjenigen nach den Teilbildern III und IV, erreicht werden.
Schließlich zeigt Figur 8 das zeitabhängige Verhalten des Zusammenbruchs des Stroms Id durch die Source-Drain-Strecke bei einer festen Wegspannung von - 5,5V über den Zeitverlauf. Zu erkennen ist, dass im Ausgangszustand die Leitfähigkeit hoch ist und mit der Zeit zunehmend schneller abfällt, etwa parabelför- mig, nach 150 Sekunden ist eine Leitfähigkeit erreicht, die etwa sieben Zehnerpotenzen unterhalb der Ausgangsleitfähigkeit liegt. Diese bleibt bis 250 Sekunden, dem Ende der Messung, erhalten.
Das Bauelement merkt sich jeweils den zuletzt eingenommen Betriebszustand auch dann, wenn es zwischenzeitlich ausgeschaltet wird. Wird zwischen den einzelnen Betriebszuständen a. bis h oder innerhalb eines dieser Betriebszustände die an der Source-Drain-Strecke anliegende Spannung und/oder die Gatespannung abgeschaltet, so wird nach Wiederanschalten der Spannungen der jeweils zuvor eingenommene Betriebszustand wieder eingenommen
Die in Fig. 7 dargestellten Ergebnisse werden auch erreicht, wenn die beiden Spannungswerte -5V durch -4V ersetzt werden. Bei Verwendung eines permeablen Gatestacks, d.h. z.B. SiO2/Metal (welches z.B. permeabel für H20 und seine Produkte ist) oder einer freiliegenden Graphenoberfläche ist die Verwendung als Sensor möglich. Durch eine Oberflächenmodifikation des Graphens wird eine Leitfähigkeitsänderung hervorgerufen, welche detektiert werden kann. Eine anschließende Desorption der Adsorbate kann z.B. durch einen Strompuls erfolgen, so dass sich der Sensor wieder im ursprünglichen Zustand befindet. Um eine Selektivität nur gegenüber bestimmten Stoffen zu erreichen, ist das Versehen der Graphenoberfläche mit chemischen Gruppen denkbar (Stichwort: geeigneter „Gatestack", Funktionalisierung), welche nur mit dem gewünschten Stoff reagieren bzw. mit diesem irgendwie eine Bindung eingehen.
Das Bauelement kann auch als Zweipol betrieben werden. Dann wird stets die Gateelektrode 34 angeschlosssen. Es wird aber entweder nur die Source- Elektrode 26 oder nur die Drain-Elektrode 28 angeschlossen. Eine dieser Elektroden 26, 28 muss dann nicht notwendigerweise vorhanden sein.
Beliebige Kombinationen von Merkmalen der Ansprüche untereinander, auch von Teilmerkmalen, sind ausdrücklich vorgesehen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften, das eine Gateelektrode (34) und eine dieser Gateelektrode (34) benachbarte Source-Drain- Strecke aufweist, wobei die Source-Drain-Strecke eine Source-Elektrode (26), eine Drain-Elektrode (28) und eine dazwischen befindliche Graphen- Anordnung (24) mit mindestens einer, maximal zehn Graphen-Monolagen aufweist, wobei zwischen dieser Graphen-Anordnung und der Gateelektrode (34) ein Gateisolator (32) angeordnet ist.
2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Drain-Strecke auf einem Träger, insbesondere SiO2, vorzugsweise thermisch abgeschiedenes SiO2, angeordnet ist.
3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gateisolator (32) dünner als 200nm, vorzugsweise dünner als 50 nm ist und vorzugsweise gesputtertes SiO2 ist.
4. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Betriebszustände aufweist: a. Liegt für ein jungfräuliches Bauelement an der Gateelektrode (34) eine Gatespannung an, deren Wert absolut kleiner als eine kritische Gatespannung Uk ist, so ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke hoch, und b. liegt an der Gateelektrode (34) eine Gatespannung an, deren Wert mindestens dem Wert einer kritischen Gatespannung Uk entspricht, oder hat eine derartige Gatespannung Uk angelegen, ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke gering.
5. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es den folgenden weiteren Betriebszustand aufweist c. wird im Zustand b. ein Strompuls mit einem Stromwert unterhalb eines Schwellenwertes Il durch die Source-Drain-Strecke geschickt, bleibt die Leitfähigkeit unterhalb einer hohen Leitfähigkeit und ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke maximal im mittleren Bereich.
6. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es den folgenden weiteren Betriebszustand aufweist d. wird im Zustand b. oder c. ein Strompuls mit einem Stromwert gleich oder größer als der Schwellenwert Il durch die Source-Drain-Strecke geschickt, so nimmt die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke wieder den hohen Wert an.
7. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden weiteren Betriebszustände aufweist e. wird im Zustand b. die Gatespannung ausgehend von dem kritischen Wert Uk erhöht, so verbleibt die Leitfähigkeit bis unterhalb einer Gatespannung Ul auf dem geringen Wert und f. springt im Bereich des Wertes Ul auf den Wert hoher Leitfähigkeit.
8. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet g. wird im Zustand f. die Gatespannung weiter über den Wert Ul erhöht, so verbleibt die Leitfähigkeit bis unterhalb einer Gatespannung U2 auf dem hohen Wert und h. springt im Bereich des Wertes U2 auf den geringen Wert der Leitfähigkeit.
9. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es den folgenden weiteren Betriebszustand aufweist i. wird zwischen den einzelnen Betriebszuständen a. bis h oder innerhalb eines dieser Betriebszustände die an der Source-Drain-Strecke anliegende Spannung und/oder die Gatespannung abgeschaltet, so wird nach Wiederanschalten der Spannungen der jeweils zuvor eingenommene Betriebszustand wieder eingenommen.
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