Chips DER ZUKUNFT 06.10.2015, 13:29 Uhr

IBM baut Mikrochip mit Kohlenstoffröhrchen anstelle von Silizium

Prozessoren in Computern sollen künftig weitaus schneller arbeiten, weil sie dann aus Millionstel Millimeter kleinen Bauteilen aus Kohlenstoff statt Silizium bestehen. Die Elektronen fließen beinahe ungehindert in den Chips. Das Problem der Kontaktierung haben IBM-Forscher im Ansatz gelöst.

Geschafft: Ein im IBM-Labor hergestellter Wafer mit Nanotubes aus Kohlenstoff.

Geschafft: Ein im IBM-Labor hergestellter Wafer mit Nanotubes aus Kohlenstoff.

Foto: IBM Research

Nanotubes, also Röhrchen, die aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen bestehen, könnten in einigen Jahren Silizium als Basismaterial für Transistoren ersetzen. Mikroprozessoren und andere Computerchips bestehen aus Milliarden Transistoren. Mehr ist mit dem Werkstoff Silizium aus physikalischen Gründen nicht drin.

Mit Nanotubes, die nur wenige Millionstel Millimeter groß sind, schon. Es sind auch schon Transistoren aus Kohlenstoff gebaut worden, doch sie haben bisher einen Nachteil: Der winzige Strom, der in ihnen arbeitet, muss den Transistor wieder verlassen, um in einen benachbarten zu fließen. Das war bisher nur mit Einschränkungen möglich, weil die Kontaktflächen einen zu großen elektrischen Widerstand hatten.

Metall und Kohlenstoff verschmelzen

Dieses Problem hat der amerikanische Elektronikkonzern IBM jetzt gelöst, im Ansatz jedenfalls. Die Forscher haben einen metallurgischen Prozess entwickelt, bei dem Kohlenstoff- und die Metallatome der Kontakte auf chemischem Wege miteinander verschmolzen werden. Dieses Verfahren, von den Entwicklern „end-bonded contact scheme“ genannt, erlaubt es, die Kontakte auf zehn Millionstel Millimeter schrumpfen zu lassen, ohne dass sich die Leistung der Kohlenstoff-Transistoren entscheidend verschlechtert.

Durch einen chemischen Prozess werden die Kontakte der Nanotubes aus Kohlenstoff auf eine Größe von unter 10 nm geschrumpft.

Durch einen chemischen Prozess werden die Kontakte der Nanotubes aus Kohlenstoff auf eine Größe von unter 10 nm geschrumpft.

Foto: IBM Research

Um höhere Computerleistung zu erhalten, müssen die Prozessoren, die Herzen der Rechner, auf gleicher Fläche immer mehr Transistoren aufnehmen. Bei Silizium ist das Ende der Fahnenstange weitgehend erreicht. Die viel kleineren Nanotube-Transistoren nehmen weit weniger Platz ein. Außerdem flitzen die Elektronen, die letztlich die Rechenarbeit leisten, viel schneller durch die neuartigen Transistoren als durch Siliziumstrukturen.

Flaschenhals in der Transistor-Technologie

„Bei jeder fortgeschrittenen Transistor-Technologie gibt es einen Flaschenhals“, sagt Dario Gil, Vice President of Science & Technology in der IBM-Forschungsabteilung. „Mit der Verkleinerung der Transistoren erhöht sich der Widerstand der Kontakte.“ Mit dem neuen Kontaktierungsverfahren glauben die Forscher auf dem richtigen Weg zu sein, die Zwickmühle aufzulösen. „Das bringt uns einen Schritt weiter auf dem Weg zu einer Nanotube-Technologie innerhalb eines Jahrzehnts“, so Gil.

Schematische Darstellung der Mikroprozessoren Nanotubes aus Kohlenstoff: Die Länge der Kontakte unterschreitet 10 nm.

Schematische Darstellung der Mikroprozessoren Nanotubes aus Kohlenstoff: Die Länge der Kontakte unterschreitet 10 nm.

Foto: IBM Research

Nanotubes sind noch zu teuer

Mit vielfach schnelleren Transistoren innerhalb von Prozessoren lässt sich die Rechengeschwindigkeit von Großcomputern, wie sie beispielsweise von Suchmaschinen und Cloudanbietern eingesetzt werden, massiv erhöhen. Nanotubes sind auch Hoffnungsträger für leistungsfähigere Batterien, wie IBM betont. Bisher gibt es jedoch noch kein Herstellungsverfahren, mit dem sich Billionen Nanotubes preiswert herstellen lassen.

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