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Kleinste Nanoröhren-Transistoren aller Zeiten übertreffen Silizium
Der kleinste jemals hergestellte Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor, ein Neun-Nanometer-Baustein, ist besser als jeder andere Transistor dieser Größe.
Nano-Gate: Eine konzeptionelle Darstellung zeigt eine Nanoröhre, die zwischen Source und Drain eines Transistors positioniert ist.
Seit über einem Jahrzehnt haben Forscher versprochen, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit ihren überlegenen elektrischen Eigenschaften bessere Transistoren bei immer kleiner werdenden Größen liefern würden, aber diese Behauptung wurde im Labor bei diesen Extremen nicht getestet. Forscher bei IBM, die die Nanoröhren-Transistoren hergestellt haben, sagen, dass dies der erste experimentelle Beweis dafür ist, dass jedes Material ein brauchbarer potenzieller Ersatz für Silizium mit einer Größe von weniger als 10 Nanometern ist.
Die Ergebnisse unterstreichen wirklich den Wert von Nanoröhren in den anspruchsvollsten Transistoren, sagt John Rogers , Professor für Materialwissenschaften an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Sie weisen ganz klar darauf hin, dass Nanoröhren das Potenzial haben, etwas wirklich Konkurrenzfähiges oder Komplementäres zu Silizium zu leisten.
Die Schrumpfung von Siliziumtransistoren in den letzten Jahrzehnten hat die Elektronikkosten gesenkt und zu mehr Rechenleistung bei weniger Energieverbrauch geführt. Aber die Verkleinerung der Siliziumelektronik könnte bei etwa 10 Nanometern auf ein Hindernis stoßen, sagt Aaron Franklin , ein Forscher am IBM Watson Research Center in Yorktown Heights, New York. Wir stoßen jetzt an körperliche Grenzen, sagt er. Da Transistoren kleiner gemacht werden, wird es schwieriger zu steuern, wie sich Elektronen durch den Siliziumkanal bewegen, um den Transistor ein- und auszuschalten. Angesichts dieses widerspenstigen, stromfressenden Verhaltens kündigte Intel im vergangenen Jahr an, für seine 22-Nanometer-Chipgeneration auf ein neues, dreidimensionales Transistordesign umzusteigen. Andere Firmen arbeiten an sogenannten Ultrathin-Body-Transistoren. Egal wie es geformt ist, Silizium ist jedoch Silizium, und der Umgang mit extrem kleinen Abmessungen stellt selbst bei diesen neuen Transistordesigns Probleme bereit.
Viele Materialien wurden als potenzieller Ersatz für Silizium gepriesen, einschließlich Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Dieses Material und andere haben sich in größeren Transistoren als vielversprechend erwiesen, aber bis jetzt hatte niemand einen Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor mit einer Größe von weniger als 10 Nanometern demonstriert. Wenn Nanoröhren nicht viel weiter können als Silizium, ist die Arbeit an ihnen Zeitverschwendung, sagt Franklin. Wir haben Nanoröhren-Transistoren mit aggressiv skalierten Abmessungen hergestellt und gezeigt, dass sie enorm besser sind als die besten Siliziumgeräte.
Um zu testen, wie sich die Größe eines Nanoröhrentransistors auf seine Leistung auswirkt, stellte Franklins Gruppe mehrere Transistoren unterschiedlicher Größe entlang einer einzigen Nanoröhre her. Dies ermöglichte es ihnen, alle Variationen zu kontrollieren, die von Nanoröhre zu Nanoröhre auftreten könnten. Zuerst mussten sie eine sehr dünne Schicht Isoliermaterial aufbringen, auf der die Nanoröhre sitzen konnte. Und sie entwickelten einen zweistufigen Prozess, um der Nanoröhre elektrische Gates hinzuzufügen, ohne sie zu beschädigen. Diese Techniken sind noch lange nicht serienreif, aber sie haben es dem IBM-Konzern ermöglicht, die ersten Nanoröhren-Bauelemente kleiner als 10 Nanometer herzustellen, um sie im Labor zu testen. Die Arbeit ist online in der Zeitschrift beschrieben Nano-Buchstaben .
Die IBM-Gruppe demonstrierte, dass ihr Neun-Nanometer-Nanoröhren-Transistor einen viel geringeren Stromverbrauch hatte als andere Transistoren derselben Größe. Und es kann mehr Strom führen als vergleichbare Siliziumgeräte, was ein besseres Signal bedeutet.
Mehrere große technische Probleme bleiben bestehen, sagt Franklin. Erstens müssen die Forscher bessere Methoden finden, um reine Chargen von halbleitenden Nanoröhren herzustellen – metallische Röhren in der Mischung werden integrierte Schaltkreise kurzschließen. Zweitens müssen sie einen Weg finden, um eine große Anzahl von Nanoröhren perfekt ausgerichtet auf einer Oberfläche zu platzieren.