Nanotechnik eröffnet Analogschaltungen neue Dimensionen

Analogschaltungen werden auch im Zeitalter der Mikro- und Nanosysteme eine wichtige, vielleicht sogar dominante Rolle einnehmen werden. Zu diesem Ergebnis gelangten die Tagungsteilnehmer der “Analog ´05”, zu der die VDE/VDI-Gesellschaft für Mikrolektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) und die Informationstechnische Gesellschaft im VDE (ITG) internationale Experten nach Hannover eingeladen hatten.

Von der Nanoelektronik erhoffen sich die Experten einen extrem niedrigen Leistungsverbrauch bei gleichzeitig maximaler Integrationsdichte. Doch wie lassen sich nanoelektronische Schaltkreise überhaupt realisieren? Professor Dr. Paolo Lugli vom Lehrstuhl für Nanoelektronik an der TU München skizziert zwei völlig unterschiedliche Zugänge zur molekularen Elektronik. “Auf der einen Seite kann man vorhandene Bauelemente nachahmen und die aktive Schicht mit einem organischen Material besetzen, auf der anderen Seite können einzelne Moleküle verbunden und ihre elektronischen Transporteigenschaften ausgenutzt werden”, so der Experte anläßlich der Analog `05.

Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung bei den organischen Halbleitern. So hat die Entwicklung von elektronischen Bauelementen, die auf dieser Technologie beruhen, bereits begonnen. Organische Dünnfilmtransistoren, auch OTFTs genannt, die bereits in Chipkarten benutzt werden, liefern ein Beispiel für das Anwendungspotenzial. In Verbindung mit RFID-Tags könnten die niedrigen Kosten den Weg zu einem Einsatz im Einzelhandel freimachen. Derartige organische RFIDs (ORFID) werden bereits von einigen industriellen und akademischen Arbeitsgruppen untersucht. So ist es unlängst gelungen, auf Poly(3-Alkylthiophen) basierende Ringoszillatoren in biegsame Polyestersubstrate einzubetten. Das US-Unternehmen 3M präsentierte unlängst wiederum Schaltungen, die auf Pentacen-OTFTS basieren. Sowohl Poly(3-Alkylthiophen) als auch Pentacen sind aufgrund ihrer Struktur mit “konjugierten” Doppelbindungen und frei beweglichen Elektronen zwischen den Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen organische Verbindungen mit Halbleitereigenschaften.

Nanoröhrchen sind wie Supraleiter

Etwas mehr Zukunftsmusik steckt in den so genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen, auch “Carbon Nanotubes” (CNT) genannt. CNTs sind eindimensionale röhrchenförmige Kristalle aus Kohlenstoff, deren Durchmesser zwischen 0.4 und 100 Nanometern variieren und die eine Länge von bis zu 1 mm erreichen. Besonderes Merkmal der CNTs ist ihre extrem hohe Leitfähigkeit, bei der die Elektronen nahezu ohne Widerstand fließen. Die Forscher rechnen damit, dass in Chips zur “Verdrahtung” eingesetzte Nanotubes bei einem marginalen Energieaufwand und praktisch ohne Hitzeentwicklung deutlich höhere Taktzeiten ermöglichen. In einigen Experimenten haben Forscher von Infineon bereits demonstrieren können, dass CNTs einen um den Faktor 1000 höheren Strom als Kupfer tragen können, bevor sie zerstört werden. Wärme hat sich erwartungsgemäß bei dem Einsatz von CNTs als Stromleiter nur an den Kontaktstellen zu anderen Materialien entwickelt. “Das ist aber kein allzu großes Problem, da die Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen sogar jene von Diamant, dem besten makroskopischen Wärmeleiter, übertrifft,” kommentiert Lugli.

CNTs können darüber hinaus auch als Halbleiter fungieren. Forscher von IBM und Infineon haben bereits demonstriert, wie derartige Röhrchen an genau definierten Stellen gezüchtet werden können und wie Transistoren zum Schalten von größeren Strömen aufgebaut sein müssen. Es ist auch gelungen, erste Prototypen von CNT-Transistoren herzustellen, die im Vergleich Siliziumtransistoren gleicher Größe um den Faktor 10 mehr Strom liefern. “Wenn es gelingt, die Kohlenstoff-Transistoren in einem technologischen Prozeß in großer Zahl, zu vertretbaren Kosten und mit ausreichender Reproduzierbarkeit herzustellen, eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Chips der Zukunft”, prophezeit Lugli.

Quanteneffekte werden simuliert

Auch die mit der weiteren Miniaturisierung verbundenen quantenmechanischen Effekte wurden anläßlich der Analog ´05 erörtert. “Bei Technologien ab etwa 0.12 Mikrometern mit Gateoxiddicken von unter 3 Nanometern, beginnen die Tunnelströme exponentiell zu wachsen”, verdeutlicht Dipl.-Ing. Frank Felgenhauer vom Institut für Theoretische Elektrotechnik und Hochfrequenztechnik der Universität Hannover. In seiner Arbeitsgruppe untersucht Felgenhauer den Einfluss von quantenmechanischen Effekten auf die Funktionalität von analogen Schaltungen. Zur Zeit arbeitet die Gruppe an einem Simulationsmodell, um quantenmechanische Einflüsse in integrierten Schaltungen zu ermitteln und daraus Konsequenzen für das zukünftige Schaltungsdesign abzuleiten.