Transistoren der Zukunft: Kohlenstoff schlägt erstmals Silizium

6. September 2016, 14:25
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US-Forschern gelingt Herstellung – Transistoren aus Kohlenstoff zeigen deutlich höhere Leitfähigkeit

Alle ein bis zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren von Computer-Prozessoren. Das ist, grob formuliert, die Aussage des "Moore‘schen Gesetzes". 1965 hatte Gordon Moore es formuliert und bis vor wenigen Jahren war die Branche ihm auch gefolgt. Doch Verzögerungen in der Einführung neuer, noch feinerer Fertigungstechniken hat es ins Wanken gebracht.

Mit seiner 2016 veröffentlichten und damit aktuell gültigen Roadmap hat etwa Chipriese Intel dieses Dogma offiziell fallen gelassen Hinzu kommt, dass die Prozessoren seit einiger Zeit kaum noch an Leistung gewinnen, aber immerhin energieeffizienter werden. Der Anstieg der Transistoren-Dichte hat sich deutlich verlangsamt. Seit einiger Zeit forscht die Branche außerdem an Alternativen zu Silizium als wichtigstes Material zur Herstellung der Rechenhardware – denn dessen physikalische Grenzen der Nutzbarkeit rücken nahe.

Hoffnungsträger

Ein Hoffnungsträger sind dabei Kohlenstoffnanoröhrchen. Und glaubt man einer Ankündigung der University of Wisconsin-Madison (UW-Madison), konnte man nun einen wichtigen Meilenstein erreichen. Erstmals ist es gelungen, Transistoren aus dem Nanomaterial zu fertigen, die in puncto Leitfähigkeit ihre Silizium-Vettern hinter sich lassen.

Im Vergleich zu diesen konnte der 1,9-fache Stromdurchfluss – also eine Steigerung um 90 Prozent – gemessen werden, berichtet Tom‘s Hardware. Dabei wurde ein im 140nm-Verfahren Transistor einem 90nm-Silizium-MOSFET-Transistor gegenüber gestellt, der ihm in puncto Größe, Form und Leckstrom ähnelte.

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"Bereinigung" gelungen

Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen aus Schichten, die ein Atom dick sind und eingerollt werden. Sie gehören zu den leitfähigsten Materialien, die aktuell bekannt sind. Theoretisch könnten Kohlenstofftransistoren für eine Verfünffachung der Leistung im Vergleich zu Silizium sorgen, während gleichzeitig der Energieverbrauch auf ein Fünftel sinkt.

Bei der Herstellung hatte man aber immer wieder mit winzigen, metallischen Verunreinigungen zu kämpfen, die die Stromführung und damit die Leistung massiv beeinträchtigen können. Dieses Problem haben die Forscher mit einer neuen Technik gelöst. Mithilfe eines Polymers werden die Unreinheiten herausgefiltert, am Ende bleibt ein Material übrig, das zu 99,99 Prozent rein ist.

Nächstes Ziel: Skalierbarkeit

Damit konnte man mithilfe eines neuen Herstellungsprozesses die neuartigen Transistoren auf einem Wafer in der Größe von 1 x 1 Zoll (2,54 x 2,54 Zentimeter) anordnen. Bevor die Erfindung jedoch interessant und leistbar für kommerziellen Einsatz wird, muss dieser Prozess skalierbar werden, um größere Wafer und dichtere Transistoranordnungen herstellen zu können. Erste Versuche sollen bereits vielversprechend verlaufen sein.

Ihre bisherigen Erkenntnisse haben die Wissenschaftler in einem Paper im Journal Science Advances veröffentlicht. Gleichzeitig wurde für ihre Technologie auch ein Patent angemeldet. Bis die Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen in handelsüblichen Prozessoren zu finden sind, dürften noch einige Jahre vergehen, zumal Chiphersteller für einen solchen Technologiewandel für teures Geld ihre Fertigungsprozesse umbauen müssen.

Schneller könnte es bei Arbeitsspeicher gehen. Bei Fujitsu arbeitet man bereits daran, "Nano-RAM" (NRAM) auf Kohlenstoffbasis zu kommerzialisieren. Auf Basis einer lizenzierten Technologie des Unternehmens Nantero strebt man eine Massenfertigung bis 2018 an. (gpi, 06.09.2016)

  • Die Forscher und ihr 1 x 1-Zoll-Wafer.
    foto: uw-madison/stephanie precourt

    Die Forscher und ihr 1 x 1-Zoll-Wafer.

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