Einzel-Elektronen-Transistoren: Licht am Ende des „Tunnels“

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Immer kleiner und sparsamer soll und muss sie werden – die Elektronik. Und natürlich stört dann irgendwann die Quantenmechanik. Ein europäisches Forschungsprojekt macht aus der Not eine Tugend und realisiert mit den „unangenehmen“ Effekten ein neues Transistorkonzept.

In vier Jahren feiert Intels erster Mikroprozessor fünfzigsten Geburtstag. Mit 2300 Transistoren auf einem Chip war der 4004 damals eine Sensation. Heutzutage müssen es schon Billionen sein, um Aufmerksamkeit zu erregen. Für solches Gedränge schrumpften die Strukturgrößen der Transistoren im gleichen Zeitraum von Haaresbreite (70 000 nm) auf 14 nm. Und ein Ende ist nicht in Sicht.

Allerdings sollen die aktuellen Herstellungsmethoden Experten zufolge zwischen 2025 und 2035 das Ende der Fahnenstange erreicht haben. Und völlig neu konzipierte Transistoren mit noch kleineren Strukturen werden von Nöten sein. Da dann aber Quanteneffekte die physikalischen Eigenschaften der Bauelemente nicht mehr nur beeinflussen, sondern dominieren, haben Wissenschaftler des europäischen Forschungsprojektes „Single Nanometer Manufacturing for beyond CMOS Devices“ (SNM) aus der Not eine Tugend gemacht und diese gezielt ausgenutzt.

Das Ergebnis: Ultrakleine Einzel-Elektronen-Transistoren (SET für single electron transistors), die mit nur einem Elektron schalten und funktionelle Strukturen von unter zwei Nanometern aufweisen. Sie könnten das Problem der Miniaturi­sierung und Leistungs­aufnahme zukünftiger elektronischer Chips lösen.

Bislang war der Betrieb solcher winziger Transistoren nur im Labor bei extrem tiefen Temperaturen von unter minus 200 Grad möglich. Die SNM-Transistoren arbeiten dagegen bei normalen Umgebungstemperaturen und können in Stückzahlen hergestellt werden.

Einzel-Elektronen-Transistoren für Quantencomputer

Bis so ein ultrakleiner Schaltkreis vom „Band rollt“, müssen die einzelnen, äußerst komplexen Schritte dutzend-, ja hundertfach ausgeführt werden. Mithilfe sogenannter langsamen Elektronen modellierten Wissenschaftler an der TU Ilmenau mit einer oder mehreren Nanometer großen Spitzen Strukturen im Bereich unter zehn Nanometern. Dieses Schreibverfahren – Raster-Sonden-Technik genannt – ermöglicht nicht nur das Schreiben, sondern auch das Lesen und die ultragenaue Anordnung von Nanostrukturen. Damit öffnet sich ein Tor in die zukünftige Quantencomputerwelt.

Zum Projekt

Im 18-Millionen-Euro-Projekt „Single Nanometer Manufacturing for beyond CMOS Devices (SNM)“ forschten 16 Partner aus Wissenschaft und Industrie unter der Leitung von Professor Ivo W. Rangelow, Leiter des Fachgebiets Mikro- und Nanoelektronische Systeme der TU Ilmenau.

 

Knowledge Base

TU Ilmenau: Single Nanometer Manufacturing for beyond CMOS devices (PDF).

 

 

 

 

Einzel-Elektronen-Transitoren (Bild:TU Ilmenau)

Transistoren der Zukunft arbeiten mit elektronischen Strukturen von unter zwei Nanometern. (Bild: TU Ilmenau).