3D-Chip vereint Sensor, Transistoren und Datenspeicher

In herkömmlichen Computerchips sind Milliarden von Transistoren auf 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 Wissenschaftler nun mit einer geschickten Kombination aus Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, digitalen Speicherelementen und klassischen Siliziumschaltkreisen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, ließen sich in ersten Tests mit dem 3D-Stapelchip verschiedene Gase nachweisen, diese Daten speichern und direkt elektronisch verarbeiten.

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

Modell des neuen Chips mit drei verschiedenen Ebenen und jeweils andersfarbigen Schichten
3D-Chip

Die Funktion des 3D-Stapelchips demonstrierten die Forscher mit dem Nachweis unterschiedlicher Gase und Dämpfe. So fächelten sie über ihren Chip einfachen Stickstoff sowie Alkoholdämpfe von Wein, Bier und Wodka. Diese Substanzen führten zu einer charakteristischen Änderung des elektrischen Widerstands in der Sensorschicht aus Nanoröhrchen. Die entsprechenden digitalen Signale konnten in den Speicherelementen aus Platin und Hafniumoxid zwischengespeichert werden. Weitergeleitet an die nächste Schicht ließen sich diese Signale mit dem Transistorareal aus Nanoröhrchen auswerten. Auf diese Weise ordnete der Stapelchip schließlich spezifische Signalmuster den jeweiligen Gasen und Dämpfen eindeutig zu. „Für ihren voll funktionstauglichen Prototyp brachten Shulaker und seine Kollegen die vielversprechendsten 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 während der Produktion mit lithografischen Methoden, da so eine Schädigung der bereits fertiggestellten Schichten vermieden werde.

Mögliche Anwendungen solcher dreidimensionalen multifunktionalen Chips könnten in der Robotik liegen. Auch für die Medizintechnik wären winzige Sensorsysteme, die nachgewiesene Signale direkt analysieren und speichern, von großem Interesse. Vor einer Serienfertigung müsste jedoch die Größe der elektronischen Strukturen von derzeit etwa einem Mikrometer weiter schrumpfen. Auch die derzeit 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.