„Based on carbon“ – Zulieferer und Anwender haben seit langem diese drei Worte im Ohr. Auch in der Chipherstellung ist es nun soweit: Das Zeitalter des Carbons hat Einzug gehalten. IBM ist es beispielsweise gelungen, einen Chip mit Kohlenstoffnanoröhren auszurüsten, in denen sich über 10.000 Transistoren befinden. Der zugrunde liegende Prozess gehört zu den Standardproduktionsprozessen in der Halbleiterindustrie. Based on carbon: Willkommen in der Welt der Chips!
Based on carbon: Leistungsstarker Chip dank Kohlenstoffnanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren sollen Chips dazu verhelfen, deutlich mehr Leistung zu bringen. Dabei haben IBM und Co. immer im Auge, dass die Produktion kommerziell möglich sein muss, eine Herstellung von hochleistungsfähigen Einzelstücken oder die bloße Produktion von Prototypen ist nicht erwünscht. Jeder Chip soll aber nicht nur mehr Leistung zeigen, sondern auch schneller und kleiner werden, so das Ziel des Computerherstellers.
Kohlenstoffnanoröhren – die sogenannten Nanotubes – gehören zu den Halbleitermaterialien und sind hier genau genommen eine Klasse für sich. Sie sind mit besonderen Vorteilen ausgestattet und warten mit erstklassigen elektrischen Eigenschaften auf. Wichtig ist das für die Computerhersteller, die den Blick auf die Transistoren der Zukunft richten und bei denen es darauf ankommt, die Länge der Kabel so kurz wie möglich zu halten. Deren Länge bewegt sich lediglich noch im Nanometerbereich. Die Nanotubes haben aber noch weitere Vorteile: Sie bieten Elektronen die Möglichkeit, sich deutlich rascher als im Silizium zu bewegen. Erst dadurch wird letzten Endes die gesteigerte Leistungsfähigkeit erreicht. Außerdem besitzen die Nanotubes eine ideale Form und eignen sich somit perfekt für den Einsatz in Transistoren.
Based on carbon: Zulieferer für Schaltelemente für die Zukunft
Die Schaltelemente auf Basis von Kohlenstoff haben das Zeug dazu, die herkömmliche Technologie, die auf Silizium basiert, abzulösen. Diese Schaltelemente werden in Prozessoren eingesetzt und sind ind er Lage, die gewünschte Verkleinerung der einzelnen Bauteile eines Computers zu ermöglichen. „Based on carbon“ heißt hier, dass die Kohlenstoffnanoröhren nur rund zehn Nanometer groß sind, was nicht einmal die Hälfte der üblichen Transistoren ist. Die neuen Chips sind damit sowohl kleiner als auch leistungsstärker – optimal also für die Anforderungen, die an Computerzubehör gestellt werden.
Dennoch sind einige Herausforderungen zu meistern. So benötigen Kohlenstoffnanoröhren eine hohe Reinheit und sie müssen überaus genau platziert werden. Dies ist nicht ohne Weiteres zu realisieren, es wurden aber laut IBM bereits große Fortschritte in diesen Bereichen gemacht. Bisher ist der Stand allerdings so, dass nur einige Hundert der carbon based Nanotubes gleichzeitig platziert werden können, die Entwicklung muss hier noch ein ganzes Stück voranschreiten. Noch ist der aktuelle Stand längst nicht ausreichend, um allen Anforderungen gerecht zu werden.
Chip mit Nanotubes: Praktisch noch nicht nutzbar
Die Chips der Zukunft brauchen Milliarden von Transistoren – damit ist klar, warum die neue Entwicklung mit gerade einmal mehreren Hundert Chips nicht weit genug vorangeschritten ist, um wirklich einsatzfähig und nutzbar zu sein. Nun wurde durch den Zulieferer IBM ein neuer Ansatz vorgestellt, bei dem der Prozess des Ionenaustauschs genutzt wird. Damit ist es möglich, eine deutlich größere Anzahl der Nanoröhren auf festen Positionen auf dem Chip anzubringen, wobei die Dichte der Röhren um mehr als das Hundertfache höher liegt.
Der Vorteil: Diese Methode ist sogar mit den bisher üblichen Standardprozessen kompatibel und es ist nicht nötig, die gesamte Halbleiterindustrie umzustellen. Außerdem sind die normalen und bisher erfolgreich eingesetzten Schnelltestverfahren immer noch nutzbar.
Die Forscher von Zulieferer IBM nutzten folgende Vorgehensweise: Die Nanoröhren aus Kohlenstoff wurden in einer halbleitenden und einer metallischen Variante genutzt bzw. wurde eine Mixtur aus beiden Varianten eingesetzt. Doch es kann lediglich die halbleitende Variante genutzt werden, daher ist eine Extraktion selbiger nötig. Nach dieser Trennung müssen die Nanoröhren in Wasser gelöst werden, was nur mit dem Zusatz einer Art Seife möglich ist. Das Substrat, das hier verwendet wird, besteht aus Siliziumoxid und Hafniumoxid. Letzteres verfügt über nanoskalige Gräben. Wird nun das Substrat in die zuvor erstellte Lösung getaucht, so können sich die Nanoröhren in den einzelnen Rillen absetzen. Das Substrat selbst ändert sich aber nicht.
Dem Zulieferer IBM ist es damit gelungen, eine ganz exakte Platzierung selbst einzelner Nanoröhren vorzunehmen. Schon bei früheren Tests hat sich gezeigt, dass die Leistungsfähigkeit der derartig erzeugten Transistoren erstaunlich steigt: Sie liegt um das Zehnfache höher als die Leistung der Transistoren aus Silizium.
Noch befindet sich die neue Technologie allerdings in der Erprobungsphase und es ist nötig, die derart hergestellten Chips noch weiter zu verbessern. Es wird intensiv daran geforscht, einen Weg zu finden, wie eine deutlich größere Anzahl von Transistoren auf den Chips platziert werden kann.
Bildnachweis: © IBM Research
