Erfolg der Nanoelektronik: Drei Forschergruppen stellen aus milliardstel Meter kleinen Strukturen logische Schaltkreise her
Delft - "Das sind dramatische Schritte auf dem Weg zu elektronischen Nanocomputern", sagt Greg Y. Tseng, Physiker an der Stanford University. Der Grund für seinen Optimismus liegt in drei bahnbrechenden Forschungsberichten, die amerikanische und niederländische Wissenschaftler in der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift "Science" präsentieren.
Aus nur wenigen millionstel Millimeter kleinen Strukturen stellten diese drei Gruppen unabhängig voneinander winzige logische Schaltkreise her, die den Weg aus der heutigen Mikroelektronik zur zukünftigen Nanoelektronik mit einem Vielfachen der Leistungsfähigkeit konventioneller Computerchips ebnen sollen.
Von der heutigen Chipproduktion unterscheiden sich die Methoden aller drei Gruppen grundlegend. Versuchen Intel, AMD, Philips und Co, in die greifbaren, großen Siliziumscheiben immer kleinere Strukturen zu ätzen ("Top-Down"), bauen die Nanoforscher umgekehrt ihre Schaltkreise aus einzelnen Molekülen auf ("Bottom-Up"). So kreuzten Charles M. Lieber und seine Kollegen von der Harvard University nur wenige Atome dicke Nanodrähte aus Silizium und Galliumnitrid übereinander.
Dadurch, dass im Galliumnitrid überschüssige Elektronen und im Silizium fehlende Elektronen, so genannte Elektronenlöcher, einen kleinen Strom leiten können, entsteht ein Feld aus logischen Schaltungen. Je nach Randbedingung können diese Schaltungen Funktionen wie ODER, UND, ODER NICHT ausführen. Solche logischen Verknüpfungen bilden die Grundlage für digitale Rechenoperationen, die ein Computer ausführen kann.
"Mit einer Anordnung von fünf Nanometer (millionstel Millimeter) dicken Nanodrähten könnten zehn Billionen Schaltkreise auf einen Quadratzentimeter passen", hebt Lieber das Potenzial dieser Technologie heraus. Zum Vergleich, die Chiphersteller stoßen mit ihren lithografischen Ätzprozessen bei wenigen Hundert Nanometer kleinen Strukturen langsam an die Grenze des Machbaren. In den gleichen Dimensionen wie Lieber bewegen sich die niederländischen Nanoforscher um Cees Dekker an der Technischen Universität Delft.
Statt dünne Siliziumdrähte, setzten Dekker und Kollegen kleine Röhrchen aus Kohlenstoff auf eine hochreine Silizium-Oberfläche. Diese halbleitenden Hohlkörper, deren Hülle gerade mal eine Atomlage dick ist, trennten die Forscher durch eine dünne isolierende Schicht aus Aluminiumoxid so geschickt voneinander, dass sie Schaltkreise aus drei unabhängigen Transistoren aufbauen konnten. Im Unterschied zu früheren Experimenten erreichten diese logischen Schaltungen erstmals so gute elektronische Eigenschaften, dass ein Computerchip aus diesen Nanoröhrchen in Zukunft möglich erscheint.
Auf der Suche nach schnelleren und günstigeren Computerchips greifen Jan Hendrik Schön und seine Kollegen von den US Bell Laboratories in Murray Hill auf komplizierte organische Moleküle zurück. In einem aufwendigen Prozess setzen die Forscher diese Moleküle auf eine gestufte Siliziumoberfläche. Eine dünne Lage aus Goldatomen, die die Wissenschaftler vorsichtig aufgedampft haben, dient als elektrischer Kontakt. Testmessungen bei tiefen Temperaturen haben gezeigt, dass ein einzelnes "elektrisch aktives" Molekül auf der Siliziumfläche wie ein Transistor arbeitet. Mit einem solchen Molekültransistor gelang es den Forscher, einen so genannten "Inverter" aufzubauen. Diese logische Schaltung wandelt eine digitale "1" in eine "0" um.
So erfolgreich alle diese Prototypen der Nanoelektronik arbeiten, bleiben bis zum ersten Nanochip noch einige Hürden zu überwinden. Zum einen lassen sich die Nanodrähte oder Röhrchen noch nicht genau genug auf eine feste Position einer Oberfläche setzen, um Milliarden von Transistoren tatsächlich auf einen Quadratzentimeter zu bannen. Zum anderen ist die Ausbeute an verwertbaren und fehlerlos aufgebauten Nanoröhrchen mit den heutigen Herstellungsmethoden noch zu gering, um diese Chips kostengünstig herzustellen. Dennoch habe diese Technologie das Potenzial, weit über die Grenzen der heutigen Chiptechnologie hinauszureichen, so Lieber.
