30/01/2012 - Informatik: Nanoröhrentransistoren übersteigen Siliziumtransistoren

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Ein neun-Nanometer-Gerät zeigt, dass Nanoröhren eine praktikable Alternative zu Silizium sein könnten, da die Elektronik immer kleiner wird.

Der kleinste Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor, ein neun-Nanometer-Gerät, funktioniert besser als jeder andere Transistor der gleichen Größe.

Seit mehr als einem Jahrzehnt haben Forscher versprochen, dass Kohlenstoff-Nanoröhren mit ihren höheren elektrischen Eigenschaften bessere Transistoren in immer kleineren Größen schaffen würden, obwohl diese Behauptung im Labor nicht an solchen Extremen getestet worden war. IBM-Forscher haben Nanoröhrentransistoren hergestellt und stellen sicher, dass dies der erste experimentelle Beweis dafür ist, dass das Material einen praktikablen Ersatz für Silizium in einer Größe von weniger als 10 Nanometern darstellt.

"Die Ergebnisse unterstreichen wirklich den Wert von Nanoröhren in der hoch entwickelten Art von Transistoren," sagt John Rogers, Professor für Materialwissenschaften an der Universität Illinois in Urbana-Champagnen (USA). "Sie gehen ganz klar davon aus, dass Nanoröhren das Potenzial haben, tatsächlich mit Silizium zu konkurrieren oder ein ergänzendes Element zu sein."

Der Rückgang der Siliziumtransistoren in den letzten Jahrzehnten hat die Kosten für Elektronik verringert und zu einer höheren Verarbeitungsleistung bei geringerem Energieverbrauch geführt. Allerdings könnte die Verringerung der Siliziumelektronik ihre Grenze von etwa 10 Nanometern haben, so Aaron Franklin, Forscher des Watson Research Centers von IBM in Yorktown Heights, New York. "Wir erreichen die physischen Grenzen," sagt er. Da Transistoren kleiner werden, ist es schwieriger, die Art und Weise zu kontrollieren, wie Elektronen durch den Siliziumkanal bewegen, um den Transistor einzu- und auszuschalten. Da Intel mit diesem "Rebell"-Verhalten fertig werden muss, das den Energieverbrauch erhöht, kündigte er im vergangenen Jahr an, dass er zu einem neuen dreidimensionalen Transistor-Design für seine 22-Nanometer-Chip-Generation wechseln würde. Andere Unternehmen arbeiten jedoch an so genannten ultrafeinen Körpertransistoren. Abgesehen von der Form ist Silizium jedoch Silizium, das in so kleinen Größen verwendet wird, hat es sogar bei diesen neuen Designs Probleme.

Es wurde von vielen Materialien, einschließlich Kohlenstoffnanoröhren, gesagt, dass sie der mögliche Ersatz von Silizium sind. Nanoröhren und andere Materialien haben sich als vielversprechend für den Einsatz in größeren Transistoren erwiesen, aber bisher hat niemand einen Transistor von Kohlenstoffnanoröhren mit weniger als 10 Nanometern gezeigt. "Wenn die Nanoröhren nicht viel weiter gehen als Silizium, ist die Arbeit an ihnen Zeitverschwendung," so Franklin. "Wir haben Nanoröhrentransistoren mit sehr geringen Abmessungen hergestellt und wir haben bewiesen, dass sie viel besser sind als die besten Silizium-Geräte."

Um zu überprüfen, wie sich die Größe eines Nanoröhrentransistors auf seine Leistung auswirkt, hat die Franklin-Gruppe mehrere Transistoren unterschiedlicher Größe entlang eines einzelnen Nanoröhrchens erstellt. Dies ermöglichte es ihnen, mögliche Variationen von Nanotube zu Nanotube unter Kontrolle zu halten. Zunächst mussten sie eine sehr dünne Schicht von Isoliermaterial auf die Nanoröhrchen legen. Dann entwickelten sie einen zweistufigen Prozess, um ihnen elektrische Türen hinzuzufügen, ohne sie zu beschädigen. Diese Techniken sind nicht für die Herstellung bereit, aber sie ermöglichten es der IBM-Gruppe, die ersten Nanoröhrengeräte mit weniger als 10 Nanometern zu erstellen und sie im Labor zu testen. Die Arbeit wird in der Zeitschrift Nano Letters beschrieben.

Die IBM-Gruppe zeigte, dass ihr neun-Nanometer-Nano-Transistor einen wesentlich geringeren Energieverbrauch hatte als andere Transistoren derselben Größe. Darüber hinaus kann es mehr Strom als andere vergleichbare Silizium-Geräte bringen, was zu einem besseren Signal führt.

Es gibt nach wie vor eine Reihe wichtiger technischer Probleme, so Franklin. Erstens müssen Forscher bessere Methoden finden, um reine Stapel von Halbleiternanoröhren zu erzeugen: Die Zugabe von Metallrohren in die Mischung würde zu Kurzschlüssen in integrierten Schaltungen führen. Zweitens müssen sie eine Möglichkeit schaffen, eine große Anzahl von Nanoröhren auf eine Oberfläche mit perfekter Ausrichtung zu bringen.
 

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