Based on Carbon: Zulieferer für die Schaltelemente der Zukunft

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Der Einsatz der Siliziumtechnik bei Prozessoren stößt an seine Grenzen, da es immer teurer und schwieriger wird, Transistoren auf Siliziumbasis weiter zu verkleinern. Nun markiert ein Chip aus Kohlenstoffnanoröhren einen Meilenstein in der Datenverarbeitung. Der Prototyp könnte den Weg für eine neue Generation schnellerer, energieeffizienterer Elektronik bereiten.

Da Siliziumtransistoren (die die Einsen und Nullen von Computern tragen) in Bezug auf Größe und Dichte allmählich an die Grenzen der Physik stoßen, deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass Kohlenstoffnanoröhren eine schnellere und energieeffizientere Option darstellen. Da Nanotubes viel kleiner als vergleichbare Transistoren aus Silizium sind, können mehrere Transistoren auf einem Chip untergebracht werden. „Based on carbon“ ist schon länger ein Schlagwort für Zulieferer und Anwender. Nun scheint es, dass das Carbon-Zeitalter auch in der Chipherstellung angebrochen ist.

Based on Carbon: Zulieferer für die Industrie der Zukunft

Shu-Jen Han, Manager für Nanowissenschaften und -technologie bei IBM, und sein Team entwickelten 2016 eine neue Methode, um Kohlenstoffnanoröhren mit einem Draht aus Metallen zu verbinden, in dem sich Kohlenstoffatome leicht auflösen können (Aufbrechen der Kohlenstoffverbindungen, um einen Kontaktaufbau möglich zu machen). Durch den Wechsel zu einer Kobalt-Molybdän-Legierung für die Verdrahtung zwischen den Elementen konnte die erforderliche Temperatur für die Herstellung von Einzelpunkt-Kontakten mit Kohlenstoffnanoröhren deutlich gesenkt werden – eine signifikante Verbesserung im Vergleich zur vorherigen Demonstration. Die Senkung der Kontaktklebetemperatur von 900°C auf 400 bis 600°C lag nun in einem herstellbaren Bereich. Zusätzlich konnten die Abstände auf 10 Nanometer verringert werden.

Der Nanoröhren-Transistor maß nur noch 40 Nanometer und war damit nur mehr halb so groß wie Transistoren aus der heutigen Massenfertigung. Da Kohlenstoffnanoröhren auch gute Wärmeleiter sind, können sie auch das Problem der Überhitzung eines Chips bzw. der bisher notwendigen Kühlung lösen. Eine kommerziell machbare Produktion steht für IBM und andere Zulieferer im Vordergrund, die reine Produktion von Prototypen oder hochleistungsfähigen Einzelstücken ist nicht Ziel.

Kohlenstoffnanoröhren: Begriffserklärung

Kohlenstoffnanoröhren, sogenannte Nanotubes, sind neuartige Nanoträgersysteme mit einem breiten Anwendungsspektrum in Wissenschaft, Technik und Umwelt. Aufgrund ihrer möglichen Funktionalisierung (Oberflächentechnik der Nanoröhren) mit bestimmten chemischen Gruppen können ihre physikalischen oder biologischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen manipuliert werden. Kohlenstoffnanoröhren sind mikroskopisch kleine, röhrenförmige Moleküle, die aus einer hexagonalen Anordnung hybridisierter Kohlenstoffatome bestehen und durch Aufrollen einer einzelnen Graphenschicht (einwandige Kohlenstoffnanoröhren) oder durch Aufrollen mehrerer Graphenschichten (mehrwandige Kohlenstoffröhren) gebildet werden können.

Sie sind extrem reißfest und stabil, ihre wichtigste Eigenschaft ist jedoch ihre hohe elektrische Leitfähigkeit. Da Kohlenstoffnanoröhren fast atomar dünn sind und ausgezeichnet Strom leiten, sind sie Silizium-Halbleitern überlegen. Im Prinzip könnten Carbon Nanotube-Prozessoren dreimal schneller laufen und dabei etwa ein Drittel der Energie ihrer Silizium-Vorgänger verbrauchen. Bisher erwiesen sich Kohlenstoffnanoröhren jedoch als zu schwierig, um komplexe Computersysteme zu konstruieren. Kohlenstoffnanoröhren sind 1 Nanometer breite Röhren aus reinem Kohlenstoff. Die Herausforderung besteht darin, bei einer derart kleinen Kontaktfläche gute elektrische Kontakte aufrechtzuerhalten.

Wenn die Größe des Kontakts zwischen dem Chip und der Kohlenstoffnanoröhre kleiner wird, steigt der Widerstand. Ingenieure möchten, dass der Kontakt so klein wie möglich ist, aber ein höherer Widerstand bedeutet einen höheren Stromverbrauch.

Based on Carbon Zulieferer: Bisherige Herausforderungen

Probleme ergaben sich, wenn Nanoröhren-Transistoren auf engstem Raum dicht nebeneinandergepackt wurden. Hierbei traten eine Reihe unerwünschter Effekte auf: Die elektronischen Eigenschaften variieren von Nanoröhre zu Nanoröhre. Ein weiteres Problem sind elektrische Ladungen, die sich an der Außenseite der Röhren anheften und die elektronischen Eigenschaften benachbarter Nanoröhren beeinflussen. Insofern ließ die Performance der winzigen Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren noch zu wünschen übrig. Die Möglichkeit, die halbleitenden Nanoröhren zu isolieren und die notwendige hohe Dichte von Kohlenstoff-Schaltern auf einem Wafer zu erzeugen (mehr als eine Milliarde Transistoren für die zukünftige Integration in kommerzielle Chips), schien aber laut IBM gegeben zu sein.

Bis jetzt gelang es Wissenschaftlern allerdings höchstens, einige hundert Kohlenstoffnanoröhren gleichzeitig zu platzieren, nicht annähernd genug die Anforderungen moderner kommerzieller Anwendungen. Die größte Herausforderung stellte dabei die nötige extrem hohe Reinheit der Kohlenstoffnanoröhren da, sowie deren gezielte Platzierung auf der Nanometerskala. Erhebliche Fortschritte in diesem Bereich geben aber Anlass zu Optimismus.

IBMs Durchbruch

Zum ersten Mal wurden mehr als zehntausend funktionierende Transistoren aus nanoskaligen Kohlenstoffröhren unter Verwendung von Standardhalbleiterprozessen präzise in einem einzelnen Chip platziert und getestet. IBM hat eine einzigartige Methode entwickelt, um auf Grundlage der Ionenaustauschchemie die präzise und kontrollierte Platzierung ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhren auf einem Substrat mit einer höheren Dichte zu ermöglichen. Durch dieses Verfahren gelang die kontrollierte Platzierung einzelner Nanoröhren mit einer Dichte von etwa einer Milliarde pro Quadratzentimeter. Kohlenstoffnanoröhrchen sind eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Substanzen.

Für Chips ist nur die Art von Halbleiterröhren geeignet, bei denen die metallischen Röhren vollständig entfernt wurden, um Fehler in den Schaltkreisen zu vermeiden.

Durch die Kombination von Kohlenstoffnanoröhren mit einem Tensid, einer Art Seife, werden diese in Wasser löslich gemacht. Das Substrat wird dann aus zwei Oxiden mit nanoskaligen Gräben aus chemisch modifiziertem Hafniumoxid und Siliziumoxid hergestellt. Das Substrat wird schließlich in die Kohlenstoffnanoröhrchenlösung eingetaucht, wobei sich die Nanoröhrchen über eine chemische Bindung an die Hafniumoxid-Regionen anlagern und der Rest der Oberfläche sauber bleibt. Diese neue Technologie befindet sich noch in der Testphase und für eine breite kommerzielle Anwendung ist es nach wie vor nötig, die derart hergestellten Chips noch weiter zu verbessern. Die Verwirklichung ist durch diesen Durchbruch aber definitiv in greifbare Nähe gerückt.

 

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