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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. 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.

Inhaltsverzeichnis

HintergrundBearbeiten

Die Strukturen in der Mikroelektronik wurden in den letzten Jahrzehnten immer kleiner, vgl. Skalierung (Mikroelektronik). Die kleinsten Strukturbreiten der Nanoelektronik bei integrierten Schaltkreisen in Serienproduktion liegen aktuell (2018) bei 7 nm, siehe Apple A12 Bionic, und in der Prototypenphase bei IBM bei 5 nm. Dabei kommen weitgehend noch dieselben bzw. modifizierte Herstellungsprinzipien wie vor 20 Jahren zum Einsatz, als die kleinsten Strukturbreiten in einem integrierten Schaltkreis noch rund einen Mikrometer betrugen. Diese Entwicklung wird sich auch in den nächsten Jahren 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.

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.

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 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. Als Beispiel, eine Silizium basierte Pikoelektronik (<100 Pikometer) wird nie realisiert, da z. B. bei einer Strukturbreite von 5 nm nur noch 17 Siliziumatome nebeneinander liegen.

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 EinsatzfelderBearbeiten

Zielsetzung der Nanoelektronik ist es, elektronische Bauteile bis in den Nanometerbereich zu verkleinern, um letztlich Rechenkapazitäten und die Geschwindigkeit von Computerchips zu steigern. Dazu sollen v. a. die elektronischen Eigenschaften von Nanostrukturen erforscht und verbessert werden. Daneben gilt es, den Aufbau von Computerchips 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.

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.

Technische GrenzenBearbeiten

Die kleinsten Strukturbreiten bei integrierten Schaltkreisen in Serienproduktion liegen aktuell (2018) bei 7 nm, siehe Apple A12 Bionic, und in der Prototypenphase bei 5 nm.

Physikalische GrenzenBearbeiten

Eine Silizium basierte Pikoelektronik (<100 Pikometer) wird nie realisiert, da z. B. bei einer Strukturbreite von 5 nm nur noch 17 Siliziumatome nebeneinander liegen. Die kleinsten Strukturbreiten bei integrierten Schaltkreisen in Serienproduktion liegen aktuell (2018) bei 7 nm, siehe Apple A12 Bionic, und in der Prototypenphase bei 5 nm.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

WeblinksBearbeiten