Nanoelektronik

Doppelgate von einem FinFET Transistor.

Als Nanoelektronik werden integrierte Schaltkreise bezeichnet, deren Strukturbreiten (kleinste, über Strukturierungsverfahren wie Lithographie realisierbare Abmessung bei integrierten Schaltkreisen) unter 100 nm liegen. In diesem Bereich müssen physikalische Effekt, beachtet werden, die zuvor unbekannt oder vernachlässigbar waren. Dies für bei der Nanoelektronik zu neuen Formen der Bauelemente und ganz neuen Funktionsprinzipien. Allerdings ist dies nur eine grobe Einordnung und der Begriff der Nanoelektronik unterliegt keiner strengen Definition, da der Übergang zwischen Mikroelektronik und Nanoelektronik fließend verläuft oder es wird nicht unterschieden, d.h. alles untere dem Begriff Mikroelektronik behandelt.

Hintergrund

Die Strukturen in der Mikroelektronik wurden Ende des 20. Jahrhundert und Anfang des 21. Jahrhundert immer kleiner, vgl. Skalierung (Mikroelektronik). Dabei kommen (2018) weitgehend noch dieselben bzw. modifizierte Herstellungsprinzipien wie vor 20 Jahren zum Einsatz, als die kleinsten Strukturbreiten in einem integrierten Schaltkreis noch rund 1 Mikrometer betrugen. Diese Entwicklung wird sich auch fortsetzen, um höhere Leistung in noch kleineren Bauteilen bei noch geringeren Kosten zu ermöglichen.

Aufgrund dieser Entwicklung wird dieser Bereich häufig als Nanoelektronik bezeichnet, wobei diese nicht durch die Nutzung neuer Konzepte basierend auf bekannten physikalischen Effekten erfolgt, sondern auf „konventionellen“ Konzepten basiert.

Eingesetzte Materialien

Basismaterial für die Mikroelektronik bildet seit mehreren Jahrzehnten der Halbleiter Silizium. Verantwortlich dafür ist unter anderem die Beherrschung des Einkristall-Herstellungsprozesses und vor allem die Kombination mit seinem Oxid (Siliziumdioxid), das als Isolatormaterial eingesetzt wird und sehr gute Haftungseigenschaften auf Silizium besitzt. Die bisherige Entwicklung der Herstellungsprozesse für Siliziumeinkristalle ermöglicht mittlerweile die großvolumige Herstellung qualitativ hochwertiger Kristalle für Substrate (Wafer) mit Durchmessern von 300 mm.

Herausforderungen und Lösungen

Da sich aber mit sinkenden Strukturbreiten Leckströme und Quanteneffekte immer stärker bemerkbar machen, wird es in den nächsten Jahren notwendig werden, neue Konzepte, wie den Y-Transistor und den FinFET-Transistor zu entwickeln, und neue Materialien in den Herstellungsprozess zu integrieren. Nur so wird es möglich sein, weiterhin die Leistung elektronischer Komponenten zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu reduzieren. Das Ende dieser Entwicklung wurde in den letzten zwanzig Jahren zwar mehrmals prognostiziert, die bestehenden Probleme, insbesondere die für unüberwindbar gehaltenen physikalischen Grenzen im Herstellungsprozess, konnten aber immer wieder überwunden werden. Trotzdem werden die „konventionellen“ Konzepte irgendwann ausgeschöpft sein, und es wird notwendig sein, völlig neue Konzepte zu entwickeln.

Ein Beispiel ist die Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUVL). Für das nächste Jahrzehnt wird hierbei mit einer weiteren Miniaturisierung bis auf 16 nm und darunter gerechnet. Die konventionelle Fotolithographie – derzeit (2012) UV-Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm (Argonfluorid-Excimerlaser) – stößt dann jedoch aus physikalischen Gründen an ihre Grenze. Daneben werden selbst umfangreiche Änderungen der bisherigen Anlagentechnik nicht mehr ausreichen, um den technischen Anforderungen gerecht zu werden.

Zielsetzung und Einsatzfelder

Zielsetzung der Nanoelektronik ist es, elektronische Bauteile im Nanometerbereich zu verkleinern, um letztlich Rechenkapazitäten, Speicherkapazitäten, die Geschwindigkeit und die Effizienz von Computerchips zu steigern. Dazu sollen v. a. die elektronischen Eigenschaften von Nanohalbleiterstrukturen erforscht und verbessert werden. Daneben gilt es, den Schaltungsaufbau und die Architektur von Computerchips anwendungsbezogen zu optimieren. Die Gesetze der Quantenphysik sollen für die Elektronik nutzbar gemacht werden.

Weiterhin soll die Nanoelektronik bessere Techniken und Geräte für die Elektronikfertigung liefern und durch neuartige Schaltungen und Bauelemente die logische Verknüpfung, Speicherung und Verarbeitung von Daten optimieren. Es wird erwartet, dass analog zur Entwicklung der Mikroelektronik der technische Fortschritt in nahezu allen Branchen positiv beeinflusst wird und dass im Ergebnis eine noch höhere Funktionalität von Geräten bei geringeren Kosten vorliegen wird.

Kommerzielle Einsatzfelder für die Nanoelektronik sind die Unterhaltungselektronik, die Automatisierungstechnik, die Medizintechnik, mobile Kommunikationsgeräte, Computer, Navigation, Sensorik, Autos und alle Bereiche technikorientierter Forschung, in denen Messgeräte höchster Präzision zum Einsatz kommen.

Physikalische Grenzen

Ein Silizium Atom benötigt laut Intels Aussage in einem integrierten Schaltkreis ein Durchmesser von etwa 1/4 nm (250 pm). Eine Silizium basierte Pikoelektronik (<100 pm) wird nie realisiert, da z. B. bei einer Strukturbreite von 5 nm nur noch etwa 17 Siliziumatome nebeneinander liegen. Auch alle anderen Atome des Periodensystems haben Durchmesser im Bereich 80 bis 500 pm, somit können die Strukturbreiten für integrierte Schaltkreise nicht beliebig strukturell verkleinert werden. Das mooresche Gesetz welches postuliert, dass alle 24 Monate sich die Integrationsdichte für kommerzielle Chips verdoppelt (bei gleichen Kosten), wird somit zwangsläufig auf eine physikalische Grenze stoßen. Laut Intels Aussage Ende 2019 wird die Massenfertigung von 1,4 nm Strukturbreiten im Jahre 2029 stattfinden. Somit wird aller Voraussicht nach die physikalische Grenze mit den bisherigen Konzepten irgendwann zwischen 2031 bis Mitte des 21. Jahrhundert erreicht sein.

Um die Leistung der Mikrochips bei gleicher TDP dann noch weiter steigern zu können, müssen neue Konzepte erfunden werden, welche nicht mehr von der materiellen Strukturgröße abhängen.

Historische Entwicklung & Aktuelle technische Grenze

Die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) schlägt die Standards für Technologieknoten vor, so z. B. auch 2017 die Knoten 2 nm, 1,5 nm und 1 nm. Die kleinsten Strukturbreiten integrierter Schaltkreise, insbesondere von Mikroprozessoren in Serienproduktion, lagen

• 2003 bei 90 nm, siehe z. B. den Sony/Toshiba EE+GS (PlayStation 2).

• 2008 bei 45 nm, siehe z. B. den Intel Core 2 Quad Q9300.
• 2013 bei 22 nm, siehe z. B. den Intel Core i7-4960X
• 2014 bei 14 nm, siehe z. B. den Intel Core M-5Y10
• 2017 bei 10 nm, siehe z. B. den Qualcomm MSM8998 Snapdragon 835

• 2018 bei 7 nm, siehe z. B. den Apple A12 Bionic

• 2020 werden laut der Aussage von TSMC erste Chips aus der Massenfertigung in 5 nm in Huawei und Apple Geräte Ende 2020 eingebaut. Ende 2019 startete die Risk-Produktion für den Prozessor Apple A14 in 5 nm.
• 2021 rechnet Samsung mit der Massenfertigung im 3 nm Verfahren, dagegen TSMC erst mit 2023 rechnet.

• 2029 plant Intel die Massenfertigung in 1,4 nm zu beginnen, was Ende 2019 auf der IEEE International Electron Devices Meeting angekündigt wurde.

Speicherchips haben einfachere Schaltpläne-Architekturen, so kommt es dass diese in Größe der Technologieknoten den Prozessoren immer leicht voraus sind.

• 2010 bei 24 nm, NAND-Flash von Toshiba
• 2013 bei 10 nm, NAND-Flash von Samsung
• 2017 bei 7 nm, SRAM von TSMC

Siehe auch

• Nanotechnologie

Literatur

• Charles M. Lieber: The incredible Shrinking Circuit. In: Scientific American. 17, Nr. 3, 2001, S. 58–64.
• Technology Forecast: 2000 – From Atoms to Systems: A perspective on technology, PricewaterhouseCoopers Technology Center, 2000, ISBN 1-891865-03-X.
• Jean-Baptiste Waldner: Nanocomputers & Swarm Intelligence. ISTE, London 2007, ISBN 1-84704-002-0.
• Ulla Burchardt, Thomas Feist, René Röspel, Martin Neumann, Petra Sitte, Hans-Josef Fell: Technikfolgenabschätzung: Innovationsreport – Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Wirtschaft im Hinblick auf die EU-Beihilfepolitik – am Beispiel der Nanoelektronik (PDF; 1,5 MB). 3. März 2011, Drucksache 17/4982, ISSN 0722-8333 (Herausgeber: Deutscher Bundestag).

Weblinks

• Peter Grünberg Institut