Nanoelektronik
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Der Begriff der Nanoelektronik unterliegt keiner strengen Definition, da der Übergang zwischen Mikroelektronik und Nanoelektronik fließend verläuft. Als Nanoelektronik werden integrierte Schaltkreise bezeichnet, deren Strukturbreiten (kleinste, über Strukturierungsverfahren wie Lithographie realisierbare Abmessung bei integrierten Schaltkreisen) unter 100 nm liegen.
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[Bearbeiten] Hintergrund
Die Strukturen in der Mikroelektronik wurden in den letzten Jahrzehnten immer kleiner. Derzeit (2008) werden in der Mikroelektronik Strukturbreiten von 0,045 µm bzw. 45 nm erreicht. Diese Entwicklung wird sich auch in den nächsten Jahren fortsetzen, um höherer Leistung in noch kleineren Bauteilen bei noch geringeren Kosten zu ermöglichen. Aufgrund dieser Entwicklung wird dieser Bereich häufig als Nanoelektronik bezeichnet, wobei dies nicht mit der Nutzung neuer Konzepte basierend auf bekannten physikalischen Effekten sondern auf „konventionellen“ Konzepten basiert.
Basismaterial für die Mikroelektronik bildet seit mehreren Jahrzehnten der Halbleiter Silizium. Verantwortlich dafür war 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 mit Durchmessern von 300 mm.
Da aber mit sinkenden Strukturen steigender Einfluss von Leckströmen und Quanteneffekten zu erwarten sind, wird es in den nächsten Jahren notwendig, neu Konzepte, wie der Y-Transistor, und Materialien in den Herstellungsprozess zu integrieren, so dass der andauernde Trend (Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Kostenreduktion) weiter fortgeführt wurde; Das Ende dieses Trends wurde in den letzten zwanzig Jahren schon mehrmals prognostiziert, technologische Weiterentwicklungen überwanden aber immer wieder bestehende Probleme, meist für unüberwindbar gehaltene physikalische Grenzen im Herstellungsprozess. Trotzdem werden die „konventionellen“ Konzepte in Zukunft vollkommen ausgeschöpft und Neue notwendig werden. Ein Beispiel ist die Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUVL). Für das nächste Jahrzehnt wird hierbei mit einer weiteren Miniaturisierung bis auf 23 nm gerechnet. Die optische Lithographie stößt dann jedoch aus physikalischen Gründen an ihre Grenze. Dazu reichen allerdings (umfangreiche) Änderungen der Anlagentechnik nicht mehr aus, Neuentwicklungen sind die Folge, mit dessen Einführung sich die Hersteller traditionell schwer tun, da mit den dafür notwendigen Änderungen und Einfahrzeiten der Anlagen erhöhte Kosten auflaufen.
[Bearbeiten] Nanoelektronik - Schalten und Steuern im Nanokosmos
Auch in Zukunft sollen Computerprozessoren immer kleiner und schneller werden. Schon heute sind spezielle Transistoren aus Teilen aufgebaut, deren Größen im Nanometerbereich liegen. Die dafür erforderlichen Verkleinerung herkömmlicher Schaltkreise aus Silizium sind jedoch ab einem bestimmten Punkt physikalische Grenzen gesetzt. Auch ihre Taktfrequenz lässt sich nicht unbegrenzt erhöhen. Um dennoch in den kommenden Jahren die Leistung von Computerchips weiter zu steigern und deren Miniaturisierung voranzutreiben, forscht man gezielt an Schaltkreisen, die auf Nanotechnologie basieren.
[Bearbeiten] Zielsetzung
Die Zielsetzung der Nanoelektronik ist es elektronische Bauteile bis in den Nanometerbereich verkleinern. Dazu sollen die elektronische Eigenschaften von Nanostrukturen erforscht und verbessert werden. Der Aufbau von Computerchips soll optimiert werden. Dadurch werden Rechenkapazität und Geschwindigkeit von Computerchips gesteigert und gleichzeitig die Kosten verringert. Die Gesetze der Quantenphysik sollen für die Elektronik nutzbar gemacht werden.
[Bearbeiten] Einsatzfelder
Einsatzfelder für die Nanoelektronik sind die Unterhaltungselektronik, die Automatisierungstechnik, die Medizintechnik, mobile Kommunikationsgeräte, Computer, Navigation, Sensorik und Autos.
[Bearbeiten] Nutzen
Die Nanoelektronik bietet bessere Technologien und Geräte für die Elektronikfertigung. Sie optimiert die logische Verknüpfung, Speicherung und Verarbeitung von Daten durch neuartige Schaltungen und Bauelemente. Der technische Fortschritt in nahezu allen Branchen würde beschleunigt werden. Bei geringeren Kosten würde eine höhere Funktionalität geboten.
[Bearbeiten] Literatur
- Charles M. Lieber: The incredible Shrinking Circuit. In: Scientific American, 2001, S. 58–64
- Technology Forecast: 2000 - From Atoms to Systems: A perspective on technology, PriceWaterhouseCoopers Technology Center, 2000, ISBN 189186503X
- Jean-Baptiste Waldner: Nanocomputers & Swarm Intelligence. ISTE, London 2007, ISBN 1847040020.
