3D-Chip vereint Sensor, Transistoren und Datenspeicher

Stanford (USA) - In herkömmlichen Computerchips sind Milliarden von Transistoren in einer Fläche miteinander verknüpft. Um noch mehr Schaltkreise und Funktionen auf einem Prozessor zu vereinen, bietet sich ein gestapelter, dreidimensionaler Aufbau an. Dieses Ziel erreichten nun amerikanische Wissenschaftler mit einer geschickten Kombination aus Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, digitalen Speicherzellen und klassischen Siliziumschaltkreisen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnte ihr 3D-Stapelchip Gase nachweisen, diese Daten speichern und direkt elektronisch verarbeiten.

„Unser Prototyp besteht aus mehr als einer Million Speicherzellen und zwei Millionen Feldeffekt-Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen“, schreiben Max M. Shulaker vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und seine Kollegen von der Stanford University in Kalifornien. Insgesamt setzten die Forscher vier funktionelle, elektronische Schichten übereinander. Als Basis diente ein Areal klassischer Schaltkreise auf Siliziumbasis. Darüber folgte eine Schicht mit den mehr als zwei Millionen Transistoren aus Nanoröhrchen. Diese bezogen die zu verarbeitenden digitalen Pulse von der dritten Schicht aus nicht-flüchtigen Speicherzellen. Für die oberste Lage nutzten Shulaker und Kollegen wieder filigran angeordnete Nanoröhrchen, die diesmal jedoch als winzige Gassensoren wirkten.

Die Funktion des 3D-Stapelchips demonstrierten die Forscher mit dem Nachweis unterschiedlicher Gase und Dämpfe. So fächelten sie über ihren Chip einfachen Stickstoff, Alkoholdämpfe von Wein, Bier und Vodka oder eine Zitronensaftwolke. Diese Substanzen führten zu charakteristischen Änderungen des elektrischen Widerstands in der Sensorschicht aus Nanoröhrchen. Die entsprechenden digitalen Signale konnten in den Speicherzellen aus Platin und Hafniumoxid zwischengespeichert werden. Weitergeleitet an die nächste Schicht ließen sich diese Signale mit dem Transistorareal aus Nanoröhrchen auswerten. So konnte der Stapelchip spezifische Signalmuster den jeweiligen Gasen und Dämpfen eindeutig zuordnen.

„Für ihren voll funktionstauglichen Prototyp brachten Shulaker und Kollegen die viel versprechendsten Technologien für Sensoren, Datenspeicher und Rechenmodule zusammen“, beurteilt Sherief Reda, Chipexperte von der Brown University in Providence dieses Ergebnis in einem begleitenden Kommentar. Eine große Bedeutung sieht er in den relativ niedrigen Temperaturen von wenigen hundert Grad während der Produktion mit lithografischen Methoden, da so eine Schädigung der bereits fertig gestellten Schichten vermieden wurde.

Mögliche Anwendungen solcher dreidimensionalen, multifunktionalen Chips könnten in der Robotik liegen. Auch für die Medizintechnik wären winzige Sensorsysteme, die die nachgewiesenen Signale direkt analysieren und speichern, von großem Interesse. Vor einer Serienfertigung müssten die einzelnen elektronischen Strukturen - derzeit etwa ein Mikrometer groß - weiter schrumpfen. Auch die bisher nötigen Schaltspannungen von etwa drei Volt sind noch um ein Vielfaches höher als bei herkömmlichen Prozessoren. Dennoch zeigt dieser Ansatz, dass dreidimensionale Chipstrukturen ein großes Potenzial für schnelle und vielseitige Elektroniksysteme bieten.