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Quelle: Lieber Research Group, Harvard
Wissenschaftler der Harvard-Universität arbeiten derzeit an Transistoren mit Nanodraht-Technik, die bis zu vier Mal schneller sein könnten als ihre Silizium-Brüder. "Die Technologie könnte später in High-Performance-Komponenten eingebaut werden, die sich etwa für Handys oder Displays eignen", sagt der Chemiker Charles Lieber, der die Forschungsgruppe leitet und einer der weltweit führenden Nanotech-Forscher ist. Neben einer erhöhten Geschwindigkeit haben Nanodraht-Transistoren den Vorteil, dass sie sich äußerst platzsparend herstellen lassen - vorstellbar sind Chips, die Speicher, Logik und Sensorik auf einem einzigen Bauteil vereinen.
Nanodrähte gelten als interessante Kandidaten für künftige Logik-Prozessoren, weil sie sich ohne komplizierte Lithografieverfahren herstellen lassen. Außerdem sind sie mit rund 10 Nanometern Breite sehr klein, wie Peidong Yang, Chemiker an der University of California in Berkeley, betont. Bis jetzt galt die Performance von Nanodraht-Transistoren allerdings als eher mittelmäßig - andere Nanotechnologien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen ("Nanotubes") oder sogar konventionelles Silizium waren schneller. Die Harvard-Forschungsarbeit von Lieber zeigt nun aber, dass die Nanodrähte aufgeholt haben, gar schneller als Silizium sein können und auch die Geschwindigkeit von Nanotubes fast erreichen.
In der Welt der High-Performance-Elektronik müssen die elektrischen Eigenschaften der verwendeten Elemente genau vorhersagbar sein. Hier schlagen Nanodrähte die Nanotubes-Technologie: Sie bieten eine einheitliche kristalline Struktur, während die Konkurrenz in verschiedenen Größen und Ausprägungen aus der Fabrikation kommt und sich nicht leicht sortieren lässt. Das macht ihren Einsatz in High-End-Prozessoren bis auf weiteres fraglich.
Ein erstes Anwendungsgebiet für die Nanodraht-Technik könnten ultrasensible Sensoren sein, mit denen sich einzelne Moleküle erkennen lassen - binden sich diese an die Nanodrähte, verändert sich eine an sie angelegte Stromstärke messbar. Lieber rechnet mit ersten solchen Geräten in den nächsten zwei bis drei Jahren.
Trotz derlei Optimismus glaubt er allerdings nicht daran, dass Nanodraht-Transistoren ihre Silizium-Brüder eines Tages ersetzen werden - der Grund seien die Entwicklungskosten für eine Massenproduktion: "Diese würden sich bei Geschwindigkeitssteigerungen in einer Höhe von Faktor 4 bis 5 wohl eher nicht wieder hereinholen lassen."
Spezialanwendungen sind jedoch durchaus denkbar: Der nun erreichte Performance-Gewinn lohnt sich in Verbindung mit der vereinfachten Produktionsweise der Nanodraht-Transistoren bei Raumtemperatur durchaus. Zu den verwendbaren Oberflächenmaterialien gehört unter anderem Kunststoff - denkbar sind so flexible Displays mit Nanodraht-Transistoren, die die Logik gleich im Schirm mitbringen.
Möglich sind außerdem enorm kompakte Geräte, bei denen die gesamte Elektronik "gestapelt" wird - Speicher, Logik und sogar Sensorik sitzen hintereinander, anstatt mehrere Baugruppen-Chips nebeneinander anzubringen. Die Nanodrähte werden dazu bei Raumtemperatur auf den Chip gebracht und an Gatter-, Quell- und Abflusselektroden angeschlossen - Schicht um Schicht, ohne die vorhergehende Lage zu stören. Die sich so ergebenden "3D-Strukturen" ermöglichten es, deutlich mehr Technik auf einer kleinen Fläche unterzubringen, sagt Lieber. Da die Schichten gerade einmal 100 Nanometer auseinander liegen, erhöhe sich auch die mögliche Schalt-Performance.
Lieber betont, dass sich seine Nanoelektronikforschung an Industriestandards zur Geschwindigkeitsmessung orientiert. So lassen sich Nanodraht-Transistoren mit regulärer Elektronik vergleichen, und man kann berechnen, wie sie sich in fertigen Geräten schlagen würden.
Neu am Harvard-Ansatz ist die so genannte Kern-Schalen-Struktur der Nanodrähte. Sie sorgt dafür, dass Elektronen und Elektronenlöcher nur auf einen kleinen Bereich beschränkt sind. Dadurch bewegen sich die Elektronen besonders schnell, was eine weitere Performance-Verbesserung bringt. In einer Arbeit, die im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht wurde, setzte Lieber Nanodrähte mit einem Germaniumkern ein, der mit einem dünnen Überzug aus kristallinem Silizium versehen wurde. In einer anderen Studie, die in den Nano Letters publiziert wurde, zeigte das Forscherteam die Vielfalt der Nanodraht-Technik - hier wurde Galliumnitrid verwendet, das sich auch für Anwendungen mit hohem Energiefluss und hohen Temperaturen eignet.
Berkeley-Professor Yang glaubt, dass beide Lieber-Arbeiten sehr interessante Ansätze enthalten: "Die Performance erhöht sich mit seiner Nanodraht-Technik und die Transistoren sind robuster und verlässlicher." Dank der verwendeten Verfahren seien sehr kleine elektronische Strukturen möglich - auch unkonventionelle wie die Kern-Schalen-Struktur. "Solche Dinge sind mit konventioneller Technologie gar nicht möglich."
Übersetzung: Ben Schwan.
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