Nanosäulen für schnellere Prozessoren

Sapporo (Japan) - Der Chip der Zukunft wächst in die dritte Dimension. Dieser Schritt wird notwendig, um trotz schrumpfender Schaltkreise störende Effekte wie etwa fehlerhafte Stromflüsse zu vermeiden. Nun schufen japanische Forscher mit winzigen Nanopfeilern aus sogenannten III-V-Verbindungshalbleitern eine wesentliche Grundlage für diese Entwicklung. Wie die Säulen eines altgriechischen Tempels stehen die Pfeiler auf einer Siliziumunterlage und verbessern durch eine extrem hohe Beweglichkeit von Elektronen die Schalteigenschaften erster Transistor-Prototypen. Den Fertigungsprozess stellen die Forscher im Detail in der Zeitschrift „Nature“ vor.

„Diese Arbeit ist ein Meilenstein in der Geschichte der Halbleiter-Anwendungen“, ist Katsuhiro Tomioka von der Hokkaido University in Sapporo überzeugt. Denn in dem Aufbau solch dreidimensionaler Strukturen sehen führende Chiphersteller viel Potenzial, um Schaltkreise bei höherer Leistung weiter zu schrumpfen. Fehlte es bislang jedoch an der geeigneten Fertigungstechnik, konnten Tomioka und Kollegen diese Lücke nun stopfen. Dazu züchteten sie zuerst sechskantige Kristallsäulen aus den Elementen Indium, Gallium und Arsen auf einer Unterlage aus Silizium. Dann strukturierten sie diese mehrwandigen Verbindungshalbleiter mithilfe beschleunigter Ionen. Unter dem Mikroskop offenbarte sich eine hochsymmetrische Anordnung von kristallinen Nanopfeilern in Abständen von wenigen hundert Nanometern.

Die so entstandenen Transistor-Prototypen überprüften die Forscher auf ihre Schalteigenschaften. Da einzelne Elektronen in den Verbindungshalbleitern eine höhere Beweglichkeit als in Silizium zeigten, verliefen die digitalen Schaltprozesse selbst bei geringen Spannungen und Strömen sehr schnell und fehlerfrei. Das ist die zentrale Voraussetzung, um schnelle Hochleistungschips mit möglichst geringem Energiebedarf zu entwickeln.

Bis solche Säulenareale Eingang in die Massenproduktion dreidimensional aufgebauter Computerchips finden, werden allerdings noch einige Jahre vergehen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen könnten die Nanostrukturen noch weiter verkleinert werden. Danach müssten die Fertigungsprozesse an die derzeit etablierten Lithografieverfahren angepasst werden, um in kurzer Zeit eine hohe Stückzahl mit möglichst wenig Ausschuss produzieren zu können.