Kohlenstoff-Nanoröhrchen

IBM läutet Ära der Carbon-Chips ein

30.10.12 | Redakteur: Peter Koller

IBM-Wissenschaftler Hongsik Park mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen in verschiedenen Lösungen.
IBM-Wissenschaftler Hongsik Park mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen in verschiedenen Lösungen. (Foto: IBM Research)

Das Carbon-Zeitalter in der Chipherstellung scheint begonnen zu haben: Erstmals konnten IBM-Forscher mittels eines Standardherstellungsprozesses für Halbleiter mehr als 10.000 funktionierende Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren in einem Chip präzise anordnen und testen

Der in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Nanotechnology veröffentlichte Ansatz soll einen neuen Weg zur kommerziellen Produktion von wesentlich kleineren, schnelleren und leistungsstärkeren Computerchips eröffnen, so IBM (siehe auch Bildergalerie).

Kohlenstoffnanoröhren stellen eine neue Klasse von Halbleitermaterialien mit besonders vorteilhaften elektrischen Eigenschaften dar. Das gilt insbesondere mit Blick auf zukünftige Transistoren, deren Kanallänge im Bereich weniger Nanometer liegt. Elektronen können sich in den Kohlenstoffnanoröhren schneller bewegen als im Silizium, was leistungsfähigere Transistoren ermöglicht. Nanoröhren sind zudem aufgrund ihrer Form ideal für den Einsatz in Transistoren geeignet.

Kohlenstoff-basierte Schaltelemente für Prozessoren haben das Potential die konventionelle Siliziumtechnologie abzulösen, da sie eine weitere Verkleinerung von Computerbauteilen ermöglichen. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen – eine einzelnen zusammengerollte Lage von Kohlenstoff-Atomen – sind nur etwa 10 Nanometer groß, weniger als die Hälfte als die fortschrittlichsten Silizium-Transistoren derzeit.

"Für Kohlenstoffnanoröhren liegen die Herausforderungen in der benötigten, sehr hohen Reinheit und der präzisen Platzierung der Röhren im Nanobereich. Auf beiden Gebieten haben wir bedeutende Fortschritte erzielt“, sagt Supratik Guha, Leiter der Abteilung Physical Sciences am IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, New York.

Bisher konnten Wissenschaftler nur einige hundert Kohlenstoffnanoröhren gleichzeitig platzieren. Das ist allerdings nicht annähernd genug, um die Machbarkeit einer praktischen Nutzung von Kohlenstoffnanoröhren in künftigen Chips mit Milliarden von Transistoren zu belegen. Mit dem nun vorgestellten Ansatz, der auf Ionenaustausch-Prozessen basiert, ist es gelungen, eine große Anzahl Kohlenstoffnanoröhren mit einer 100-fach höheren Dichte als das bisher möglich war, auf vordefinierte Positionen auf einem Chip anzuordnen. Durch die Kompatibilität der neuen Methode mit Standardprozessen der Halbleiterherstellung ist es zudem möglich, übliche Schnelltestverfahren anzuwenden.

So sind die IBM-Forscher vorgegangen: Kohlenstoff-Nanoröhrchen kommen in der Regel in einer Mixtur aus einer metallischen und einer halbleitenden Variante. Nur letztere ist nutzbar und muss zunächst extrahiert werden. Anschließend werden die halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch Zugabe einer Art Seife in Wasser gelöst. Als Substrat wird eine Kombination aus Siliziumoxid mit nanoskaligen Gräben aus Hafniumoxid verwendet. Wird das Substrat in die Lösung getaucht, dann lagern sich die Nanoröhrchen in den Rillen ab, der Rest des Substrats bleibt unverändert.

Auf diese Weise sei es möglich, so IBM, sogar einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen präzise zu platzieren. Frühere Tests hätten gezeigt, dass mit den so erzeugten Transistoren eine bis zum Faktor 10 größere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Silizium-Transistoren möglich sei.

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