Schrumpfende Chips: Silizium ermöglicht kleinere Schaltkreise als bisher gedacht

Chiphersteller fürchten das Ende der Siliziumära für ihre leistungsstarken Prozessoren. Quanteneffekte und eingefangene Elektronen könnten schon in wenigen Jahren zuverlässige Schaltvorgänge der Nanometer kleinen Transistoren empfindlich stören. Einen Aufschub von einigen Jahren könnte nun die Entdeckung von amerikanischen Physikern bringen.

Madison (USA) - Sie beobachteten, dass selbst zehn Nanometer dünne Siliziumschichten über eine nutzbare Leitfähigkeit verfügen. Diesen neuen Ansatz für die Herstellung von Computerchips beschreiben sie in der Zeitschrift "Nature".

Bisher gingen Chipforscher davon aus, dass unterhalb von 30 Nanometern gravierende Probleme mit dem etablierten Halbleiter Silizium auftreten werden. Die notwendigen Ladungsträger in dem mit Fremdatomen geimpften - in der Fachsprache dotierten - kristallinen Werkstoff könnten durch den hohen Anteil an Grenzflächen einfach eingefangen werden. Ein digitales Schalten zwischen digitalen Nullen und Einsen wäre damit unmöglich. Genau in diesen Grenzflächen sehen Pengpeng Zhang und Kollegen von der University of Wisconsin in Madison nun eine Quelle für überraschend bewegliche Elektronen und Elektronenlöcher.

"Hier muss ein zusätzlicher Mechanismus für die Leitfähigkeit existieren", berichtet Zhang. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ging er dieser Leitfähigkeit auf den Grund. So gruppierten sich Siliziumatome in den nur zehn Nanometer dünnen Schichten zu so genannten Dimer-Paaren zusammen. Dadurch nahm die Anzahl verfügbarer Ladungsträger deutlich zu. Diese bilden eine neue Grundlage für zuverlässige Schaltprozesse. Bisher war in Computerchips die gezielte Verunreinigung vom Silizium nötig, um ausreichend Ladungsträger zu erhalten.

"Eventuell könnte man sogar ganz auf die Dotierung verzichten", äußert sich Ingo Aller, Chipexperte am IBM Entwicklungszentrum in Böblingen, zu dieser Entdeckung. Doch ist er sich bewusst, dass es sich hier bisher nur um ein Grundlagenexperiment handelt. "Fraglich bleibt, ob die Grenzflächen mit der benötigten Genauigkeit tatsächlich in einer Chipfabrik hergestellt werden können." Lassen sich die Messungen von Zhang und Kollegen jedoch bestätigen, werden wahrscheinlich alle führenden Chiphersteller mit den leitfähigen, hauchdünnen Siliziumschichten experimentieren. Der weitaus kompliziertere Aufbau von Prozessoren aus einzelnen Nanopartikeln müsste im Erfolgsfall erst Jahre später angegangen werden. "Diese Ergebnisse zeigen einen möglichen neuen Weg für nanoskalige Schaltkreise auf", bewertet auch John J. Boland vom Trinity College in Dublin Zhangs Messungen.

Heute entstehen in ersten Chipfabriken Prozessoren mit 65 Nanometer kleinen Strukturen. In wenigen Jahren wird der Sprung auf 45 Nanometer erwartet. Ab 30 Nanometer erwarten Intel, IBM und Consorten Probleme mit der Siliziumtechnologie, sofern auf die klassische Methode der Dotierung zurückgegriffen wird. Mit der überraschenden Leitfähigkeit der dünnen Halbleiterschichten könnte die Geschichte des Siliziums noch deutlich weiter fortgeschrieben werden.