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Komplexe integrierte Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Die ersten dreidimensionalen Kohlenstoffnanoröhren-Schaltungen, die von Forschern der Stanford University hergestellt wurden, könnten ein wichtiger Schritt sein, um Nanoröhren-Computer herzustellen, die schneller sind und weniger Strom verbrauchen als heutige Siliziumchips. Ein solcher Computer ist noch mindestens 10 Jahre entfernt, aber die Stanford-Arbeit zeigt, dass es möglich ist, gestapelte Schaltkreise mit Kohlenstoffnanoröhren herzustellen. Gestapelte Schaltungen fordern mehr Rechenleistung in einem bestimmten Bereich und leisten auch eine bessere Arbeit bei der Ableitung von Abwärme.
Kohlekreislauf: Diese Kohlenstoff-Nanoröhren-Schaltung, die ein Speicherelement ist, ist eine von vielen möglichen Konstruktionen, die mit neuen Methoden hergestellt werden können.
Eine aktuelle IBM-Studie hat gezeigt, dass bei einem gegebenen Gesamtstromverbrauch eine Schaltung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen fünfmal schneller ist als eine Silizium-Schaltung. Wir können Siliziumtransistoren immer kleiner machen, aber bei extrem kleinen Abmessungen zeigen sie nicht mehr die gewünschte Leistung, sagt Zhihong Chen, Manager Carbon Technology bei der IBM Watson Research Center . Wir suchen nach alternativen Materialien, die aggressiver skaliert werden können, aber dennoch die Geräteleistung beibehalten.
Forscher hatten großen Erfolg bei der Herstellung einzelner Nanoröhren-Transistoren im Labor, aber ihre Skalierung zu komplexen Schaltungen war schwierig, da es unmöglich ist, die Qualität jeder einzelnen Nanoröhre zu kontrollieren. Die Stanford-Schaltungsdesigns, die letzte Woche auf der Internationales Treffen für Elektronengeräte in Baltimore ermöglichen es, trotz der Beschränkungen des Materials, komplexere Nanoröhren-Schaltungen zu erstellen.
Bei vielen nanoskaligen Bauteilen können wir nicht verlangen, dass alles perfekt ist, sagt H.-S. Philip Wong , Professor für Elektrotechnik in Stanford. Wenn die Stanford-Forscher Arrays von Nanoröhren anbauen, um Schaltkreise herzustellen, erhalten sie eine Mischung aus halbleitenden Nanoröhren und metallischen Nanoröhren, die elektrische Kurzschlüsse verursachen, wenn sie nicht beseitigt werden. Einige der Nanoröhren wachsen in geraden Linien, andere sind jedoch verschnörkelt, und diese müssen ebenfalls umgangen werden. Während Chemiker an Methoden zur Züchtung gerader, reiner Nanoröhren arbeiten, lautet die Frage der Stanford-Forscher laut Wong: Wie können wir das abschwächen und sicherstellen, dass das System noch funktioniert?
Die Antwort besteht darin, Materialbeschränkungen in den Schaltungsdesigns zu berücksichtigen. Wir müssen einen Weg finden, mit den metallischen Nanoröhren zu bauen, damit sie keine Probleme machen, sagt Subhasish Mitra , Professor für Elektrotechnik und Informatik in Stanford. Die Stanford-Gruppe macht zuerst, was Mitra ein dummes Layout nennt. Mit einem Stempel übertragen die Forscher ein flach liegendes, ausgerichtetes Array von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die auf einem Quarzsubstrat aufgewachsen sind, auf einen Silizium-Wafer. Dann bedecken sie die Nanoröhren mit Metallelektroden. An der Oberfläche des Wafers, zwischen dem Silizium und den Nanoröhren, befindet sich eine Isolierschicht, die als Backgate fungiert und es den Forschern ermöglicht, die halbleitenden Nanoröhren auszuschalten, bevor sie die metallischen Nanoröhren mithilfe der Metallelektroden mit einem Stromstoß ausbrennen . Ein oberes Tor wird hinzugefügt, das so strukturiert ist, dass es sich nicht mit falsch ausgerichteten Rohren verbindet. Die Schaltungen werden dann geätzt, um Metallelektroden zu entfernen, die für das endgültige Schaltungsdesign nicht benötigt werden.
Um einen dreidimensionalen Schaltkreis herzustellen, wiederholen die Forscher einfach die Stanz- und Elektrodenwachstumsvorgänge, um so viele Schichten zu stapeln, wie vor dem abschließenden Ätzprozess benötigt werden. Der Nanotube-Stanzprozess, den die Stanford-Gruppe im vergangenen Jahr erstmals demonstrierte, ist der Schlüssel zur Herstellung gestapelter Schichten, da er bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, bei denen die elektrischen Metallkontakte in den darunter liegenden Schichten nicht schmelzen.
Während Materialwissenschaftler noch daran arbeiten, Chargen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu züchten, von denen jede einzelne halbleitend ist, arbeitet die Stanford-Gruppe an dem Problem. Anstatt eine Röhre nach der anderen auszubrennen, tun sie dies auf Schaltungsebene und entwerfen dann die Schaltungen intelligent, um die ausgebrannten Röhren zu umgehen, sagt Chen von IBM.
Sie haben kleine, einfache Schaltungen demonstriert, wie sie Mitte der 1960er Jahre mit Silizium gemacht wurden, sagt Shekhar Borkar , ein Intel Fellow und Direktor des Mikroprozessortechnologie-Labors des Unternehmens. Die Stanford-Gruppe hat beispielsweise einen einfachen Taschenrechner entwickelt, der Zahlen addieren und speichern kann.
Die Stanford-Gruppe arbeitet derzeit daran, immer komplexere integrierte Schaltungen herzustellen. Was die Komplexität angeht, gibt es für Carbon Nanotubes grundsätzlich keine Barriere, sagt Mitra. Materialbarrieren bleiben jedoch bestehen. Die Nanoröhren-Arrays von Stanford gehören zu den dichtesten, die je hergestellt wurden, mit fünf bis 10 Nanoröhren pro Mikrometer, aber das reicht nicht aus. Wir brauchen 100 Nanoröhren pro Mikrometer, um eine wirklich gute Leistung zu erzielen, sagt Wong.