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21.04.1989 - 

Ultrakompakte Mikroelektronik an den Grenzen des Möglichen:

100 Gigabit pro Quadratzentimeter

Während die heute üblichen Computer, ungeachtet aller Unterschiede in ihren Details, eigentlich allesamt nur auf Transistoren basieren, also auf Bauelementen mit mehr als 40jähriger Vorgeschichte, eröffnen sich in den Forschungslabors völlig neue Perspektiven. Hochschulen wie Industrieunternehmen arbeiten an Schaltelementen, die eines Tages zum Super-Computer im Aktenkoffer-Format führen sollen.

Ist nun die Perspektive einer Kompakt-und-Billig-Cray-2 allein schon für Informatiker gewiß aufregend genug, so müssen die neuen Projekte der Halbleiter-Forscher erst recht wohl all jene hellhörig machen, die sich ein gewisses Interesse und Verständnis für die elementaren physikalischen Vorgänge in modernen Schaltungen bewahrt haben. Denn mit den neuen Bauelementen wird die absolute Grenze des physikalisch überhaupt Möglichen angestrebt: Noch kleinere Schalter und noch schnellere Gatter sollen fortan nicht mehr undenkbar sein.

Subtile Effekte in ultrafeinen Materialien

Die neuen Strukturen, die da nun wachsendes Interesse auf sich ziehen, werden in Fachkreisen unter der Rubrik Quanteneffekt-Bauelemente diskutiert. Sie arbeiten nach völlig anderen elektrophysikalischen Prinzipien, als die herkömmlichen Transistoren sämtlicher Schattierungen; denn hierbei werden höchst delikate Phänomene der Elektronen und der Elektronenbewegung genutzt. Subtile Effekte, die überhaupt erst in ultrafein strukturierten Materialien bemerkbar sind.

Quantenelektroniker visieren schon heute Schaltungen mit Strukturen im Bereich von 10 Nanometern, also von zehn Millionsteln eines Millimeters, an und wollen sich dadurch Chips nähern, die mehrere Milliarden Bit speichern beziehungsweise entsprechend viele digitale Ein/Aus-Schalter tragen können.

Superschnelle Bauelemente von Bell-Laboratories

Und ohne Scheu sprechen manche der Quanten-Elektroniker bereits ungeniert von Chips mit 100 000 Megabit beziehungsweise 100 Gigabit pro Quadratzentimeter. Sie sollen dann zum Einchip-Supercomputer, zu Systemen für das Erkennen höchst komplexer Bild- und anderer Muster in Echtzeit und zu unvorstellbar leistungsfähigen Expertensystemen im Armbanduhr-Format führen.

Daß die Prognosen der Forscher einen durchaus realen Hintergrund haben, machte erst unlängst Texas Instruments mit der Präsentation eines völlig neuen Quanten-Bauelements deutlich. Doch ihr BiQuaRTT beziehungsweise "bipolar qauntum-resonant tunneling transistor" ist mitnichten die erste einschlägige Entwicklung, die der Öffentlichkeit bekannt wurde.

Superkleine und superschnelle Bauelemente in herkömmlicher. Fertigungstechnik, also ohne Ausweichen auf kompliziert zu fertigende Chips in dreidimensionaler Turmbauweise, auf die geisterhaften "Bio-Chips" oder auch auf exotisch zu kühlende Tiefsttemperatur-Schaltungen, entwickeln beispielsweise auch die amerikanischen Bell-Laboratories. Denn dort wurde letzten September ein "resonant tunneling bipolar-transistor" mit einer höchst interessanten, zwei Maxima aufweisenden Übertragungscharakteristik vorgestellt. Und Bell teilt mit ,daß gerade diese seltsame neue Struktur, die herkömmliche bipolare Transistoren und Quanteneffekt-Einheiten sinnreich miteinander verbindet, sehr gut für den Bau von Logik-Schaltungen, von Analog-Digital-Wandlern und anderen Schaltungen geeignet sein soll.

Genau jene Effekte, die man nun nutzbringend anwenden möchte, bereiteten den Schöpfern herkömmlicher Chips bislang nicht wenig Kopfzerbrechen; und zwar um so mehr, je kleiner die Strukturen der herkömmlichen Chips im Laufe der Jahre wurden.

So berichten Fachleute, daß beim Übergang auf Transistoren mit Strukturen feiner als 500 Nanometer Quanten-lnterferenzen zu beklagen sind, die wie elektronische "Lecks" wirken und nicht zu vermeiden sind.

Denn hierbei "erinnern" die Elektronen sich gewissermaßen ihrer zweiten Natur, nämlich ihrer Wellen-Eigenschaft, und schaffen im Kostüm einer elektromagnetischen Elementar-Welle dann prompt das schier Unmögliche: nämlich nach Art eines Gefängnis-Ausbrecherkönigs Mauern zu passieren, die eigentlich undurchdringlich sind.

Will man nun, daß diese Ausbrecher -Elektronen die verschiedenen Mauern einer quantenelektronischen Schaltung nicht mehr wild unkontrolliert, sondern exakt nach Wunsch - und somit steuerbarnutzbringend - durchwandern, so muß man jene mit äußerster Präzision und nach wohldurchdachtem Plan anlegen. Was aber heute leichter ist denn je, denn moderne Fertigungstechniken wie die sogenannte Molekularstrahl-Epitaxie bieten dazu ausgereifte Werkzeuge. Sie erlauben die Herstellung ultradünner, sehr genau maßhaltiger Materialschichten mit scharfen, klaren Grenzen zu benachbarten Zonen.

Basieren herkömmliche Transistoren auf vergleichsweise platzvergeudenden, sogenannten p-n-Übergängen zwischen positiv und negativ vor-eingestellten Materialien, so versprechen Quanten-Strukturen, letztere endlich obsolet zu machen. Wobei die Technik der herkömmlichen Silizium-Transistoren sowieso an eine Entwicklungsgrenze zu stoßen scheint, erreicht man, von oben her kommend, Strukturabmessungen im Bereich von 250 Nanometern.

Silizium-Transistoren an der Entwicklungsgrenze

Während es voraussichtlich ohne ernste Probleme möglich sein wird, in Großserien-Chips sogenannte Heterojunction-Barrieren von nur 10 Nanometern Breite zwischen je zwei Halbleitermaterialien zu verwirklichen. Dabei werden diese Werkstoffe zwischen jeweils dem Valenz- und dem Leitungs-Band der beteiligten Kristalle - die beide die elektrischen Eigenschaften eines Stoffs maßgeblich bestimmen - unterschiedliche Energielücken aufweisen.

Der Übergang auf quantenelektronische Effekte wird den Elektronikern zwar gewiß nicht leicht fallen, werden sie doch völlig neuartige Phänomene studieren und sich, passend zu jenen, völlig neuartige Arbeitsprinzipien und Schaltungen sowie überdies neue Entwurfs-Werkzeuge für diese Schaltungen erarbeiten müssen. Doch scheint dieser Weg nach Meinung von Experten eher gangbar als etwa jener Pfad, auf dem man zu "dreidimensional" gestapelten Transistoren und zu Riesen-Chips im Format kompletter Wafer kommen soll. Denn hier wachsen die technischen Probleme bei der Fertigung der Chips exponentiell mit deren Komplexität an. Und demgegenüber schreckt selbst die Vorstellung nur noch wenig, sich bei Quanten-Chips mit teilweise fremdartigen und anomalen Geschehnissen herumschlagen zu müssen, will man etwa das subtile Wechselspiel zwischen Spannung und Stromstärke in den Griff bekommen.

Während beim Übergang auf Transistor-Strukturen von weniger als 250 Nanometern insbesondere auch die Aufgabe, diese Transistoren alle korrekt miteinander zu verdrahten, allmählich in den Bereich des Unlösbaren abzudriften droht, konnten Forscher der Bell-Lab-Abteilung für Quantenphänomene und -bauelemente bereits vorführen, daß man so wichtige Schlüssel-Schaltungen wie etwa Speicher, Analog-Digital-Wandler oder auch Paritäts-Prüfer dank der neuen Techniken mit nur noch einem Bruchteil der bisher nötigen Bauelemente darstellen kann.

Erste Demonstrationen nicht vor dem Jahr 1995

Doch muß man gleichzeitig sehen, daß diese ersten Demonstrationen der neuartigen Prinzipen weit in die Zukunft weisen und daß man kaum vor Mitte des nächsten Jahrzehnts auf technisch einsetzbare Produkte wird hoffen können.

Wieso die heute üblichen Feldeffekt- und anderen Transistoren nicht beliebig verkleinert werden können, ist rasch angedeutet. Diese Bauelemente arbeiten mit internen Barrieren in Gestalt von pn-Übergängen oder auch von Verarmungs-Zonen, die bei entsprechender elektrischer Ansteuerung von außen her den Strom mal fließen lassen, und mal nicht: Etwa so, wie ein Wasserhahn je nach Stellung des Griffs mehr oder weniger stark zugedreht werden kann. Doch macht man die erwähnte Barriere eines Transistors allzu dünn, so treten quantenmechanische Tunneleffekte auf und die Elektronen passieren die kritische Stelle fortan von selber: Man kann sie nicht mehr von außen her steuern.

Herabgesetzte Betriebsspannung

Außerdem muß man beim Übergang auf feinere Transistor-Strukturen die Betriebsspannung mehr und mehr herabsetzen, will man weitere Phänomene unerfreulicher Art - wie etwa "heiße Elektronen" oder auch Elektronen-Durchbrüche - verhüten; Erscheinungen, die glatt zu Versagern oder doch wenigstens zu Zuverlässigkeits-Einbußen führen können .Doch diesem Reduzieren der Betriebsspannung steht entgegen, daß man die derzeit diskutierten 3,3 Volt, an Stelle der bisher üblichen 5 Volt, kaum mehr wesentlich wird unterschreiten können: Irgendwann hören die Transistoren sonst ganz einfach auf zu arbeiten.

Betrachtet man demgegenüber nun eine der einfachsten Quanten-Strukturen so sieht man hier einmal Material mit engem Abstand der ihm eigenen Energie-Bänder; also beispielsweise Galliumarsenid, bei dem zwischen dem Valenz-Band, das die chemische Beschaffenheit des Materials widerspiegelt, und dem Leitungs-Band, das dessen elektrische Eigenheiten festlegt, eine eher schmale energetische Distanz besteht. Doch zwischen je zwei Zonen aus diesem Material mit engem Band-Abstand findet bei so einem Quanten-Bauelement nun ein anderes mit weitem Abstand Platz, also beispielsweise eine 10 Nanometer messende Zone aus Aluminium-Gallium-Arsenid. Und diese nun wirkt als Barriere, die Elektronen nicht passieren können und die auch, anders als entsprechende Barrieren in herkömmlichen Transistoren, auf keine konventionelle Weise für Elektronen durchlässig gemacht werden kann.

Diese Barriere kann von Elektronen nur auf ungewöhnliche Art, nämlich unter Nutzung des quantenmechanischen Tunnel-Effekts, passiert werden. Dabei nimmt das Elektron Wellen-Eigenschaften an, die es befähigen, auf der anderen Seite der Tunnel-Barriere aufzutauchen.

Eine ähnliche Struktur besteht aus Zwei-Zonen-Material mit weitem Band-Abstand, die eine, auch wieder nur 10 Nanometer breite Zone mit engem Abstand links und rechts begrenzen (Bild 1). Sie schließen damit einen sogenannten Quanten-Trog (quantum well) ein und bilden mithin gleichfalls eine Struktur, die von Elektronen normalerweise nicht passiert werden kann.

An diesen Quanten-Trog kann man nun aber eine schwache Vorspannung anlegen, die bewirkt, daß dessen interne energetische Verhältnisse sich ändern und Elektronen ihn plötzlich durchtunneln können. Dabei geschieht das Tunneln extrem schnell, im wesentlichen ohne Rauschen und, bei entsprechender Abstimmung aller kritischen Parameter wie etwa der Spannung, der Abmessungen der Struktur sowie der Wellenlänge des Elektrons, überdies in Verbindung mit einem gewissen Resonanz-Effekt. Jener bewirkt, daß der Tunnel-Strom ein Maximum erreicht und mithin an Stärke wieder abnimmt, steigert man die erwähnte Vor-Spannung über die optimale Resonanz-Spannung hinaus (Bild 2).

In den Bell Laboratories gelang es schon 1987, durch parallelen Einsatz zweier resonanter Tunneldioden der skizzierten Art ein Bauelement mit zwei Strom-Maxima darzustellen, das sich als Logik-Bauelement mit drei stabilen Grund-Zuständen nutzen läßt. Denn man kann es mit jeweils nur einem kurzen Spannungsstoß von einem Zustand in den nächsten schalten. Und außerdem konnte im September 1988 ein erster Transistor auf Basis dieses resonanten Tunneleffekts vorgestellt werden, der in seiner Übertragungscharakteristik gleichfalls zwei Maxima aufweist.

Die Vorstellung, nunmehr Quanteneffekt-Transistoren statt herkömmlicher Typen auf der Grundlage konventioneller Strukturen bauen zu können, mag im ersten Moment nicht weiter aufregend sein - doch dies ändert sich umgehend nimmt man die neue Technik genauer unter die Lupe. Will man mit konventionellen Transistoren beispielsweise einen Generator zu Erzeugen von Paritäts-Bits aufbauen, so geht es selbst bei radikaler Vereinfachung aller Komponenten nicht ohne 24 sogenannte Mesfet-Transistoren ab, die jeweils zu acht je ein Mesfet-Xor-Gatter darstellen. Hingegen könne man mit dem neuen Quanten-Bauelement, so ist zu erfahren, den gewünschten Parity-Generator gleichfalls bauen; doch genüge dann statt der erwähnten 24 hier nun ein einziger Transistor.

Wo statt bisher 24 künftig schon ein einziger ."Transistor" ausreichen soll da ist natürlich eines klar: Wer Schaltungen auf der Grundlage dieser neuen Quanten-Strukturen entwickeln will, der muß sich mit einem völlig anders gearteten Denken vertraut machen. Er wird künftig als eine Art "Energielücken-Ingenieur" denken und handeln und sich neue Schaltung direkt in Gestalt von Energieband-Diagrammen der jeweils in Betracht kommenden Werkstoffe vor Augen stellen müssen. Während jene Tage, da man in funktionsäquivalenten Schaltkreisen und in Transistor -Geometrien von flächig-zweidimensionaler Planar-Anordnung zu denken hatte, allmählich gezählt scheinen.

Künftig wird man also nicht mehr überlegen, wie man aus sinnreichen Kombinationen von Transistoren, Dioden, Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten ein bestimmtes funktionelles Element zusammenstellen kann, sondern man wird nur noch "einfach" spezifizieren, welche Leistungen ein neues Bauelement erbringen soll. Und dann wird der Quanten-Elektroniker dieses Element dadurch verwirklichen , daß er bestimmte Werkstoffe in Schichten von ganz bestimmten Dicken in sinnreicher Reihenfolge so miteinander kombiniert, daß das Produkt am Ende genau das tut, was es soll.

Texas Instruments erzielte unlängst einen wichtigen Durchbruch auf dem noch weiten Weg zur allgemeinen Nutzanwendung der skizzierten Quanten-Effekte. Denn dieses Unternehmen will in seinem Labor kürzlich einen bipolaren Resonanz-Tunneleffekt -Transistor hergestellt haben ,bei dem erstmals der Quanten-Trog ,der hier sozusagen als "Basis" des Transistors arbeitet, direkt kontaktiert werden konnte. Was in der Fachwelt als äußerst schwieriges Kunststück gilt. Der neue Experimental-Transistor von TI hebt sich grundlegend von anderen Quanten-Bauelementen ab, die im Grunde bloß Quanteneffekt-Komponenten wie beispielsweise Tunneldioden in herkömmliche Transistoren einfüge . Denn jene unterscheiden sich in Größe und Funktion nicht allzusehr von herkömmlichen Transistoren ,betont man bei TI, auch wenn sie einige quantenmechanisch bedingte Phänomene aufweisen mögen.

Beim neuen Quanteneffekt-Transistor aus Texas ist es nach Angaben der Forscher erstmals gelungen, den Tunnelstrom unmittelbar dadurch zu steuern ,daß man die Spannung, die am Quanten-Trog beziehungsweise der Potential -Mulde anliegt , direkt modulierte. Und dies wiederum gelang erst, als man gelernt hatte, diesen Quanten-Trog beziehungsweise diese Transistor-Basis vom Kollektor des Transistors einerseits und von dessen Emitter andererseits elektrisch wirksam zu isolieren.

Die Forscher im TI-Labor modulierten das Spannungs-Potential in der Quanten -Basis dadurch daß sie in den Quanten-Trog eine bestimmte elektrische Landung einbrachten. Das aber geschah auf einem Energie-Niveau, das niedriger als jenes der Leitungs-Bänder der beteiligten Materialien liegt und das mithin von jenem getrennt bleibt. Und damit auch vom Arbeits-Strom der neuen Struktur, der vom Emitter zum Kollektor geht und der ja dem Tunneleffekt basiert.

Messungen an der neuen Struktur ergaben Strom-Verstärkungsfaktoren von etwa 50 bei Zimmertemperatur und von maximal 450 unter optimalen Umständen, während die Laufzeit der Elektronen vom Emitter zum Kollektor kaum meßbar war: sie dürfte etwa im Bereich von Billiardstel Sekunden (10 hoch - 15) liegen, schätzen die Forscher.

Und das wiederum sind Werte, die auf die Novitäten der kommenden Jahre eigentlich ziemlich gespannt machen sollten.