Nanotubes in 3D

Forscher der Stanford University haben erstmals dreidimensionale Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt – und das, obwohl sie wie bislang alle Gruppen mit einem unkontrollierbaren Gemisch aus halbleitenden und metallischen Röhren arbeiten müssen.

Ganz langsam kommt die Nanotube-Elektronik in Gang. Kürzlich hatten Wissenschaftler der University of Southern California gezeigt, wie Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhren zu Displays verarbeitet werden könnten. Jetzt ist es Forschern der Stanford University gelungen, unter Verwendung von Nanotubes erstmals dreidimensionale Schaltkreise herzustellen.

Aufeinander gestapelte Schaltkreise haben den Vorteil, dass sie auf einer Fläche mehr Prozessorleistung konzentrieren und die Wärme, die beim Stromdurchfluss entsteht, besser ableiten. Eine IBM-Studie kam kürzlich zu dem Ergebnis, dass bei gleichem Stromverbrauch ein Schaltkreis aus Nanotubes fünf Mal schneller ist als einer aus Silizium. „Wir können Silizium-Transistoren zwar immer kleiner machen, aber bei extrem kleinen Abmessungen bringen sie nicht mehr die gewünschte Leistung“, sagt Zhihong Chen vom IBM Watson Research Center. „Deshalb schauen wir nach Materialien, die sich ohne Leistungseinbuße drastisch herunterskalieren lassen.“

Während einzelne Transistoren aus Nanotubes bereits seit Jahren keine Probleme mehr bereiten, haben sich die Halbleiter-Ingenieure schwer damit getan, komplexe Nanotube-basierte Schaltkreise zu bauen. Das liegt daran, dass bislang nicht keine Nanoröhren produzieren kann, die alle dieselben Eigenschaften haben.

„Wenn wir es mit einer großen Anzahl von nanoskaligen Bauteilen zu tun haben, kann einfach nicht jedes perfekt sein“, schränkt Philip Wong , Elektrotechniker an der Stanford University, ein. Wenn er uns seine Kollegen Nanotube-Anordnungen aufwachsen lassen, kommt immer ein Gemisch aus halbleitenden und metallischen Röhren heraus. Letztere müssen aber beseitigt werden, will man keine Kurzschlüsse in der Schaltung riskieren. Eine weitere Erschwernis: Einige Nanotubes sind gerade, andere gebogen – und auch die sind nicht zu gebrauchen. Während einige Forschungsgruppen daran arbeiten, ausschließlich halbleitende Nanotubes zu produzieren, hat Wong sich damit beschäftigt, wie man konstruktiv mit dem Materialproblem umgeht.

„Man muss einen Weg finden, die Schaltkreise so anzulegen, dass die metallischen Nanotubes nicht stören“, pflichtet Wongs Kollege Subhasish Mitra bei. Die Stanford-Gruppe geht deshalb so vor: Zuerst erstellt sie ein „dummes“ Layout. Mit Hilfe eines Stempels werden flach liegende und gleichmäßig ausgerichtete Nanoröhren mit einem Stempel auf eine Silizium-Scheibe aufgebracht. Auf dem Röhrenmuster legen die Forscher dann lithographisch Metallelektroden an.

Im nächsten Schritt werden die metallischen Nanotubes unschädlich gemacht. Voraussetzung dafür ist eine Isolierschicht zwischen den Röhren und dem Silizium, die als rückwertige Gatterelektrode dient. Nachdem die halbleitenden Nanotubes in den nichtleitenden Zustand geschaltet worden sind, jagen die Forscher über die Metallelektroden einen heftigen Stromstoß in die metallischen Nanoröhren und zerstören sie damit. „Anstatt sie einzeln durchzubrennen, erledigt die Gruppe alle auf einmal auf der Schaltkreis-Ebene“, lobt IBM-Mann Chen den Ansatz.

Anschließend wird eine obere Gatterelektrode aufgetragen. Deren Form ist so gewählt, dass sie nicht mit versehentlich falsch ausgerichteten Nanoröhren in Berührung kommt. Alle Metallkontakte, die für die Endkonstruktion keine Rolle mehr spielen, können nun weggeätzt werden.

Um Schaltkreise aufeinander zu schichten, wiederholt man diese Arbeitsgänge einfach. Entscheidend ist das Stempelverfahren, das die Stanford-Gruppe im vergangenen Jahr erstmals vorgestellt hat. Es funktioniert nämlich auch bei relativ niedrigen Arbeitstemperaturen, so dass bereits angefertigte Metallelektroden in unteren Schichten nicht schmelzen.

„Sie haben damit einfache, kleine Schaltkreise demonstriert, die etwa dem Stand der Silizium-Technik Mitte der sechziger Jahre entsprechen“, sagt Shekhar Borkar , Direktor des Mikroprozessor-
Technologie-Labors von Intel. Ein Beispiel ist ein ganz simpler Taschenrechner, der Zahlen addieren und speichern kann.

Nun arbeitet die Gruppe an komplexeren Schaltkreisen. Subhasisch Mitra sieht hierbei keine prinzipiellen Beschränkungen, die sich aus der Verwendung von Nanoröhren ergeben würden. Ein Hindernis ist jedoch noch deren Dichte. In den Stanford-Schaltkreisen beträgt sie fünf bis zehn Röhren pro Mikrometer – was nicht genug ist. „Wir müssen 100 Nanotubes pro Mikrometer schaffen, um eine wirklich gute Rechenleistung zu erzielen“, sagt Mitra. Bis aus der Nanotube-Elektronik eine kommerziell einsetzbare Technologie wird, dürften allerdings noch zehn Jahre vergehen. (nbo)