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07.09.2006

Nano-CPUs mit Molekültransistoren

Christian Vilsbeck war viele Jahre lang als Senior Editor bei TecChannel tätig. Der Dipl.-Ing. (FH) der Elektrotechnik, Fachrichtung Mikroelektronik, blickt auf langjährige Erfahrungen im Umgang mit Mikroprozessoren zurück.
Prozessoren werden aus Silizium gefertigt - noch. In den Forschungslabors tüfteln die Hersteller bereits an CPUs mit Kohlenstoffröhrchen und Transistoren aus Molekülen. Erste funktionierende Muster gibt es bereits.

Von Christian Vilsbeck, tecChannel.de

Der Stoff, aus dem Prozessor- träume sind, scheint bald nicht mehr aus Quarzsand beziehungsweise daraus gewonnenem, hochreinem Silizium (Si) zu bestehen. Forscher testen daher alternati- ve Grundelemente des Perioden- systems, wobei die Natur als Vorbild gilt.

Die Forschung im Segment von halbleitenden Kohlenstoffröhren und Makromolekülen als Transistor-Adäquat entwickelt sich schnell. Aus dem Mikroprozessor könnte in naher Zukunft der Nanoprozessor oder gar der Quantencomputer erwachsen.

Miniaturisierung

Prozessoren von früher und heute unterscheiden sich im Aufbau grundlegend kaum voneinander. Das Binärsystem stellt für die beiden bekannten Zustände von 0 und 1 kaum Ansprüche an die Technik. Der Elektromechanik der frühen Jahre mit Relais folgte die Elektronik ohne bewegliche Teile in Form der Elektronenröhre mit ihrer hohen elektrischen und thermischen Verlustleistung. Die Zielvorgaben von damals gelten daher auch heute unverändert weiter:

3 Miniaturisierung

3 Senkung der elektrischen Betriebskenndaten (Spannung, Verlustleistung)

3 Senkung der Verlustleistung und damit der Wärmeerzeugung

3 Verkürzung der Schaltzeiten, Steigerung der Taktrate

3 Parallelisierung von Einheiten

Mit der Miniaturisierung ergeben sich nicht nur Vorteile. Es kommen Störfaktoren hinzu, die man bei Abmessungen jenseits des Mikro- und Nanobereichs gut in den Griff bekommen hat.

Der Bipolar-Transistor (n-/p-dotiert) und später der Unipolar-Feldeffekt-Transistor (MOS-FET) kam diesen Vorgaben ab Anfang der 50er Jahre bis heute recht nahe und löste mit der Entwicklung die Röhre ab. Aus einzelnen Germanium-Transistoren integrierte man Logikgatter und Recheneinheiten. Diese wurden dann gemeinsam mit weiteren Prozessoreinheiten auf einem Die integriert, und der erste Mikroprozessor mit Chipgrößen im Bereich 1/1.000 Millimeter (daher der Ausdruck "Mikro") war geboren. Im Laufe der Jahre ging die Integration auf nur einem Core immer weiter, Germanium (Ge) wurde durch Silizium (Si) als Halbleitermaterial ersetzt, Speicherzellen und Ein-/Ausgabe-Funktionen kamen hinzu, und die Komplexität wuchs.

Von 2.300 auf 500 Millionen Transistoren

Der 4004-Prozessor von Intel aus dem Jahr 1971 kam mit 2.300 Transistoren bei 10 Mikrometern und 740 kHz Taktfrequenz auf den Markt. Heutige Prozessoren wie der Pentium Extrem Edition 965 erreichen eine Taktfrequenz von fast 4 GHz bei einem 65-Nanometer-Herstellungsprozess. Dabei sind die CPUs aus acht übereinanderliegenden Verbindungslayern aufgebaut, arbeiten mit Spannungen unterhalb von einem Volt, und die Anzahl der Transistoren liegt bei zirka 500 Millionen. Auf der Spitze eines Kugelschreibers ließen sich in etwa zehn Millionen Transistoren unterbringen.

Aktuelle Prozessoren mit hohen Rechenleistungen und ihren Millionen von Transistoren stoßen bald an ihre herstellungsprozessbedingten physikalischen Grenzen. Auch die immer kleiner werdenden Abstände der Leiterbahnen und Transistoren auf den Grundträgern der Prozessoren führen zum sogenannten Übersprechen bei benachbarten Leiterbahnen. So kann im Extremfall eine Bit-Information generiert werden, wo vorher keine war, oder das Bit auf der Leitung kippt in die andere Wertigkeit.

Mit der Verkürzung der Schaltzeiten der Transistoren und Miniaturisierung kommt es auch wegen des vorhandenen elektrischen Widerstands und dadurch, dass die Transistoren zwar sicher durchschalten, aber aufgrund der geringen Spannung nicht mehr vollständig abschalten, zu einer Erwärmung des Chips. Diese Verlustleistung in Form von Wärme muss an die Umwelt abgeführt werden, um eine stabile Funktion des Prozessors zu gewährleisten. Durch die Verringerung des Spannungshubs und der Versorgungsspannung der Prozessoren kann man die Verlustleistung reduzieren. Leckströme im Halbleitermaterial führen ebenfalls zu einer ungewollten Erwärmung, die zu Materialausdehnung und damit zur physikalischen Zerstörung führen kann.

Grenzüberschreitung in den Nanobereich

Die Mikroelektronik mit ihren aktuellen Prozessoren hat schon länger die Grenze zum Nanobereich unterschritten. Von Nanotechnologie spricht man, wenn die (Transistor-)Abmessungen deutlich unter 100 Nanometer (10-9 m, nm) liegen. Aktuelle Prozessoren von Intel mit ihren 65 nm will der Hersteller bis zum Jahr 2015 auf nur 22 nm Strukturgröße verkleinern.

Die optische Lithografie stößt dabei an physikalische Grenzen, auch wenn schon heute spezielle Laser verwendet werden. Beim 65-nm-Fertigungsprozess von Intel (P1264, Low-Power P1265) kommt beim Belichtungsprozess ein 193-nm-Laser zum Einsatz. Die Wellenlänge des emittierten Laserstrahls ist also größer als die zu belichtenden Strukturen. Hier arbeitet man mit speziellen Tricks, wie "Optical Proximity Correction" (OPC), "alternating Phase Shift Masks" (altPSM), das heißt fokussierende Linsen und Immersionsschichten aus Wasser.

Während man bislang davon ausging, dass die Grenzen der Machbarkeit bei 32 nm erreicht sein sollten, gelang Forschern vom IBM-Labor im kalifornischen San Jose der Schritt bis auf 29,9 nm. Damit lässt sich die bewährte Technologie der Fotolithografie mit ultraviolettem Licht noch etwas länger nutzen, als es die Roadmap der Chipentwickler bisher vorgesehen hat.

Verlustleistung und Leckströme

Transistoren vom Typ FET steuern die Source-Drain-Strecke über das Gate nur über die Spannung am Gate, das heißt, es fließt im Gegensatz zum Bipolar-Transistor kein Strom über die Gate-Elektrode. Damit lassen sich FET leistungslos steuern. Um aber ein elektrisches Feld zwischen Gate und Source-Drain auf- und abzubauen, müssen Ladungen fließen. Diese verursachen an Widerständen der Leitungen stets Reibungsverluste, die in Wärme umgewandelt an die Umgebung abgegeben werden (Verlustleistung).

Zwischen dem Gate und Source-Drain liegt eine Isolierschicht (Oxid) mit 1,2 nm Dicke. Besitzt diese Isolierschicht in der Theorie einen Leitwert von null (idealer Isolator), so diffundieren doch einzelne Elektronen durch diese Schicht hindurch. Das Gate und die Source/Drain-Elektroden bilden zusammen mit der Isolierschicht (Dielektrikum) einen Kondensator mit der Kapazität C. Die Verlustleistung hängt nun proportional von der Kapazität C aller Transistoren und der Betriebsspannung ab:

Leistungsaufnahme = (Kapazität aller Gates) x (Taktfrequenz) x (Betriebsspannung)2

Zwischen den einzelnen Layern kommt eine Isolationsschicht mit einem niedrigen Dielektrizitätswert (Low-K) zur Anwendung, um die Kapazität und damit die Verlustleistung gering zu halten.

Ist die Spannung am Gate nicht ausreichend, um die Source-Drain-Strecke zu sperren, so ist diese minimal leitend - obwohl der Transistor eigentlich sperren sollte. Eine weitere Ursache für Leckströme sind schadhafte Übergänge ins Substrat. Damit gibt es drei Hauptursachen für Leckströme:

3 die Gate-Isolierschicht beim Transistor

3 die Source-Drain-Strecke (Sub threshold)

3 Leckströme in das Substrat (Junction)

Bei einer halben Milliarde Transistoren pro Prozessor ergibt es daher Sinn, den einzelnen Transistor zu optimieren, möchte man Verlustleistung und Wärme gering halten und die Taktrate weiter steigern.

Gate-Länge entscheidet Taktfrequenz

Viele Verfahren zur Verbesserung des Herstellungsprozesses oder diverse Kenndaten sind schon lange bekannt und einige sind neu. Ob ein Verfahren für die Halbleiterproduktion zur Anwendung kommt, entscheiden meist die Wirtschaftlichkeit der Serienfertigung und der Fertigungsprozess. Die Firma Intel beispielsweise setzt im aktuellen 65-nm-Fertigungsprozess noch nicht alle möglichen Verfahren ein, sondern behält sich dies für zukünftige - verkleinerte - Designs vor.

Die Gate-Länge ist eine wichtige Kenngröße im Fertigungsprozess eines Transistors, denn sie bestimmt die maximale Frequenz, mit der ein Transistor arbeiten kann. Aktuelle Gate-Längen beim 65-nm-Prozess liegen bei 35 nm. Beim vorherigen 90-nm-Prozess besitzt das Gate noch eine Länge von 50 nm.

Nicht zu vernachlässigen ist das Verdrahten der hundert Millionen Transistoren pro Prozessor, das sogenannte "Routing". Diese Verdrahtung erfolgt aktuell über bis zu acht Verdrahtungsebenen (bei 90 nm sind sieben Ebenen im Einsatz).

Möchte man die Taktfrequenz weiter steigern, die Verlustleis- tung oder den Leckstrom reduzieren, so bietet es sich an, die Spannung zu verringern oder den elektrischen Widerstand zu minimieren. Somit lohnen sich Experimente mit Leitermaterialien, die einen hohen elektrischen Leitwert be- sitzen.

Nano-Tubes aus Kohlenstoff

Die chemischen Elemente für schnelles Rechnen sind bekannt, auch kommen diese nicht nur im menschlichen Körper vor - die Natur macht es uns also vor. Enthält der menschliche Körper 20 Milligramm Silizium pro Kilogramm Körpergewicht, so überwiegt doch der Anteil an Kohlenstoff. Die Forschung konzentriert sich zurzeit auf Kohlenstoff in Form der sogenannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Nano-Tubes, CNT).

Im Jahr 1985 entdeckten Forscher eine neue Modifikation des Kohlenstoffs neben den beiden bisher bekannten Grafit und Diamant, die "Fullerene", benannt nach einem englischen Architekten. Diese Kohlenstoffmoleküle bestehen stets aus zwölf Fünfecken und einer unbestimmten Anzahl an Sechsecken. Die Stabilsten von ihnen enthalten genau 60 Kohlenstoffatome - man spricht von Kohlenstoff C60 - und haben einen Durchmesser von rund einem Nanometer.

Sechs Jahre später (1991) gelang es japanischen Forschern, Nanoröhrchen nachzuweisen, bei denen sich die Kohlenstoffatome als ein Gerüst von Sechsecken zu winzigen, lang gestreckten Hohlzylindern formieren. Diese Nanoröhrchen können bis zu 100 Mikrometer lang werden. Ihre Durchmesser reichen von weniger als einem bis zu weit über 100 Nanometer, je nachdem, wie viele der Röhrchen ineinandergesteckt werden.

Je nach interner Struktur können die Nanoröhrchen metallisch leitend oder halbleitend sein. Es sind auch Kohlenstoffröhrchen bekannt, die bei tiefen Temperaturen supraleitend sind. Ein Drittel aller denkbaren Röhrchen zeigt metallisches Verhalten. Durch die Einführung von Gitterdefekten kann ein halbleitendes Röhrchen nahtlos mit einem metallischen Röhrchen verbunden sein. Diese Röhrchen hat man in der Natur bisher nicht entdeckt, man kann sie sich als eine aufgerollte Grafitebene vorstellen.

Nanoröhrchen vertragen hohe Ströme

Für die Miniaturisierung besonders interessant sind die sogenannten y-förmigen Röhrchen und hier besonders die einwandigen Röhrchen, die man bereits künstlich wachsen lassen kann. Diese Y-Formen entstehen durch Knoten und Verzweigungen innerhalb der Röhrchen.

Diese Nanoröhrchen sind deshalb so interessant, weil sie mit ihren kleinen Abmessungen große Stromdichten vertragen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen vertragen mit 1010 (10 Giga) Ampere pro Quadratzentimeter eine 1.000 Mal höhere Stromdichte als Kupfer. Die Wärmeleitfähigkeit der Röhrchen ist beinahe doppelt so groß wie die von Diamanten. Bedenkt man, dass Kupfer bei einer Stromdichte von etwa 107 (10 Mega) A/cm2 zu schmelzen beginnt, so sieht man unmittelbar die möglichen Anwendungsbereiche.

Sowohl die Durchkontaktierungen (Vias) der bis zu achtfachen Metall-Layer in Prozessoren als auch die Leitungen könnten ersetzt und damit die Verlustwärme und thermische Ausdehnung stark reduziert werden.

Um diese Röhrchen gezielt einzusetzen, können sie mittlerweile mithilfe von einem in der Halbleiterindustrie erprobten Verfahren definiert an bestimmten Koordinaten auf einem Wafer gezüchtet werden. Auch gibt es bereits Verfahren, um metallische und die halbleitenden Röhrchen voneinander zu separieren und p-dotierte zu n-dotierten Röhrchen zu migrieren.

Ein-Elektronen-Schalter mit Nanoröhrchen

In der Praxis ist man schon so weit, diese Nanoröhrchen als Schalter einsetzen zu können - der Weg zum Transistor-Ersatz ist nicht mehr weit. Ein Team von niederländischen Forschern gelang dies mit Nano-Tubes bei Raumtemperatur - dies begründet sich auch aufgrund der geringen Abmessungen.

Die Forscher verwendeten für den Schalter ein einwandiges Nanoröhrchen, das einen Durchmesser von etwa einem und eine Länge von rund zwanzig Nanometern besaß. Eine Kühlung ist bisher bei Ein-Elektronen-Transistoren mit sogenannten Quantenpunkten nötig, möchte man ein unkontrolliertes Schalten durch externen Wärmeeinfluss verhindern. Quantenpunkte sind dabei wenige Nanometer kleine Anhäufungen von Elektronen.

Benötigt ein herkömmlicher Transistor für einen Schaltvorgang mindestens einige Hunderttausend Elektronen, schaltet der hier entworfene sogenannte Ein-Elektronen-Transistor mit jedem zu- und abfließenden Elektron. Der Großteil der Ein-Elektronen-Transistoren, die man bisher verwirklicht hat, besteht aus einem Quantenpunkt, der von zwei Kontakten umgeben ist.

Für den Bau des Transistors knickten die Forscher ein Nanoröhrchen an zwei Stellen mit der Abtastnadel eines Rasterkraftmikroskops. Dort angebrachte elektrische Kontakte zeigten in dem zuvor metallischen Röhrchen keinen Stromfluss mehr an. Die Kohlenstoffatome blockierten scheinbar den Elektronenfluss an den Knicken. Das Nanoröhrchen wurde erst wieder leitend, als man eine Spannung an das Röhrchen anlegte. Der Strom stieg stufenförmig an, nicht gleichmäßig wie nach dem ohmschen Gesetz - dies bestätigt eine bekannte Theorie.

Nur wenn es einzelnen Elektronen gelingt, die Knickstellen zu durchtunneln, konnte in dem geknickten Nanoröhrchen ein Strom fließen. Dazu benötigen die Ladungsträger aber eine bestimmte Menge an Energie. Die Elektronen tunnelten nicht unabhängig voneinander durch das Nanoröhrchen, wie man das von den anderen Ein-Elektronen-Transistoren kennt, sondern immer nur das jeweilige an der Knickstelle. Erhöhte man die Spannung an den Kontakten, floss jedes Elektron für sich hindurch.

Der Firma Infineon - führend bei den Carbon Nano-Tubes - ist es im Jahre 2004 gelungen, einen Transistor mit einer Kanallänge von 18 nm zu entwickeln. Dies entspricht der Länge des Kohlenstoffröhrchens, welches zwischen den Drain- und Source-Elektroden platziert ist. Beide Elektroden und das Röhrchen sind auf einem Silizium-Substrat fixiert, und die zur Ansteuerung des Transistors notwendige Gate-Elektrode befindet sich unterhalb des Röhrchens und des Substrats.

Verbindung der Nano-Tubes

Auch der beste Leiter kann nicht zur praktischen Anwendung kommen, wenn sich dieser mit anderen nicht elektrisch verbinden lässt. Doch auch dies ist einem Forscherteam bereits gelungen: Die Nano-Tubes können mittels eines Elektronenstrahls und damit einer lokalen Aufheizung mit einer hohen Qualität elektrisch "verlötet" werden. Ein Verfahren von Ulmer Physikern hat dies gezeigt. Die Verbindung zweier Röhren mit einem elektrischen Kontakt hat sich jedoch bisher als extrem schwierig erwiesen.

Das, was die Wissenschaftler weltweit und anhaltend an den Nanostrukturen auf Kohlenstoffbasis so fasziniert, ist zum einen die fast unbegrenzte Verfügbarkeit des Kohlenstoffs, zum anderen die Wandelbarkeit der Eigenschaften - als Isolator, Halbleiter, Supraleiter oder Elektronenfänger.

Seit 2004 erfolgt die großindustrielle Produktion der Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Jedes der drei Verfahren zur Herstellung der Röhrchen (Lichtbogen, Laser, Gaszersetzung) ist inzwischen so weit entwickelt, dass damit größere Mengen gleichmäßiger (Durchmesser, Länge, Defekte, Mehrwandigkeit) Nano-Tubes hergestellt werden können. Man kann heute fertige Kohlenstoff-Nanoröhren von verschiedenen Herstellern in Grammmengen kaufen.

Sogar im Leistungsbereich kommen die Nano-Tubes bereits zum Einsatz. Infineon bietet Leistungstransistoren auf Kohlenstoffbasis an. Unterschiedliche Forschergruppen widmen sich dem neuen Werkstoff im Nanobereich und nach und nach werden anfängliche Probleme gelöst. Dem Einsatz der CNTs scheint also nicht mehr viel im Weg zu stehen.

Molekulare Winzlinge

Arbeiten Ein-Elektronen-Transistoren bereits mit nur einem Elektron als Informationseinheit, so könnte man auch Moleküle oder Atome dazu einsetzen. Forscher von IBM haben dies mit dem Spin-Zustand von individuellen Atomen und dem Aufbau eines Spin-Schalters "Spin-Flip-Spektroskopie" versucht.

Auch mit nur einem Molekül - und zwar einem organischen - kann man Transistoren bauen. Forscher aus den Bell-Labs haben dies bereits gezeigt. Hierbei benutzte man als elektrisch aktives Medium ein sogenanntes Thiol, dessen Leitfähigkeit sich bei Anlegen einer Spannung ändert.

Die Thiol-Moleküle befanden sich in einer Lösung neben elektrisch inaktiven Molekülen, welche zur Verdünnung dienten. Diese Lösung brachte man in einen Graben, der in einen Silizium-Wafer geätzt war. Unter und über der Lösung befanden sich die beiden Elektroden in Form von Goldflächen. Die Gate-Elektrode bildete den Rand des Grabens. Nach der Verdunstung der Lösung blieb eine exakt ein Molekül dicke Schicht auf der Goldelektrode zurück. Durch sorgsame Anpassung der Thiol-Verteilung auf die inaktiven Moleküle konnten die Forscher statistisch sicherstellen, dass nur ein aktives Molekül auf der Goldelektrode zurückblieb. Dieser Aufbau funktionierte jedoch nur bei Temperaturen unter 200 Kelvin.

Den Forschern aus dem Bell-Laboratorium ist es gelungen, zu zeigen, dass man mit zwei derart gefertigten Molekültransistoren einen Spannungs-Inverter bauen kann. Dieser Schaltkreis wandelt "0" in "1" und umgekehrt - mit dem Unterschied, dass er nur in Molekülgröße umgesetzt wurde.

Diese selbstorganisierenden Monoschichten (SAM = Self Assembling Monolayers) interessieren die Forscher bei linearen Thiolen besonders. Thiole in Monolage auf einkristallinen Goldoberflächen lassen sich einfach herstellen, da sich diese innerhalb weniger Stunden aus einer Lösung heraus auf der Goldoberfläche aufbauen. Die hohe Affinität der Thiolgruppe zu Gold führt dazu, dass sich die Thiole spontan in einer hochgeordneten Schicht zusammenlagern (Selbstorganisation). Dadurch wurde das Problem der Elektroden-Anbringung an dem Molekül gelöst.

Schaltkreis auf einem Molekül

Anfang 2006 berichtete IBM von dem Aufbau eines Schaltkreises mit herkömmlichen Techniken aus dem Halbleiterbau auf einem einzigen Molekül, nämlich auf einem Carbon Nano-Tube. Der von den IBM-Forschern gebaute Schaltkreis ist ein Ring-Oszillator, mit dem die Fähigkeiten von neu eingesetzten Materialien oder Prozessen gemessen werden kann. Dieser Hybridschaltkreis wurde mittels abstehender Drähte auf der Röhre angeschlossen und schwingt bei 0,5 Volt mit 13 MHz und mit 0,92 Volt mit 52 MHz. Diese Kenndaten beeindrucken zwar nicht, dennoch zeigen die Forscher die mögliche Integration der Carbon Nano-Tubes, wenn auch zurzeit nur in Hybridschaltungen.

Mit einer ebenfalls neuen "Nanoscale-Methode" hat IBM Anfang Mai 2006 eine Methode entwickelt, die es erlaubt, sehr kleine Molekülmengen mit hoher Geschwindigkeit voneinander zu trennen. Dabei platziert IBM die Moleküle mit bisher nicht erreichter Präzision und Steuerungsmöglichkeit auf Oberflächen.

Ausblick

Die Nano-Tubes und damit diese Form des Kohlenstoffs scheint der Werkstoff des 21. Jahrhunderts zu werden. Auch außerhalb der Prozessortechnik ergeben sich neue Anwendungsbereiche (LCDs, Elektronenemitter, Leistungsschalter).

Gelingt es, die Nanoröhrchen aus Kohlenstoff als Ersatz für Leiterbahnen, Schalter und Transistoren im Prozessor einzusetzen, dann ist dies ein Quantensprung in der CPU-Entwicklung. Eine weitere Miniaturisierung ist mit dem Molekültransistor möglich, und eine Steigerung der Rechenleistung gelänge wohl nur noch über Qubits mit dem Quantencomputer.

Getreu dem Moore’schen Gesetz, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelt, wird eine Neuorientierung der Technik bald unvermeidbar sein. Für Intel scheint dieses Gesetz in Form einer Größenreduktion um den Faktor 0,7 alle zwei Jahre zuzutreffen.

Dieser Beitrag stammt von tecChannel.de, dem Webzine für technikorientierte Computer- und Kommunikationsprofis. Unter www.tecChannel.de finden Sie weitere Beiträge zu diesem Thema.