Nanoelektronik mit Y-Schaltern und Quantendrähten

Silizium- und Nanotechnologie

Die Siliziumtechnologie beruht auf der Lithographie, einer Technik, die in Analogie zur Photographie lichtempfindliche Materialien einsetzt, um Negative der Schaltungen als Masken zu erstellen. Es wurde zunächst davon ausgegangen, dass die Wellenlänge des Lichts auf der Skala eines halben Mikrometers eine Grenze für die Verkleinerung der Transistoren darstellen würde.

Die Erfolge bei der Herstellung geeigneter photosensitiver Lacke und bei der abbildenden Optik erlauben es aber inzwischen, Strukturen weit kleiner als 100 Nanometer (1 Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters) herzustellen [2].

Die Erhöhung der Packungsdichte von Transistoren bereitet aber zunehmend Probleme. In den Schaltungen fließen elektrische Ströme, die zu einer beachtlichen Wärmeentwicklung beitragen [3]. Für große Parallelrechner sind derzeit umfangreiche Kühleinrichtungen mit Leistungen im Bereich von 10 Megawatt notwendig. Die Betriebskosten von lediglich drei Jahren entsprechen schon dem Anschaffungspreis des Rechners.

Eine weitere Begrenzung stellt auch die Lithographie dar. Stetige Verkleinerung ist bald nicht mehr rentabel und stößt an die physikalischen Grenzen. Schon heute kostet eine Chipfabrik Milliarden von Euro. Der Leistungsverbrauch der Schaltkreise muss drastisch reduziert werden. Moderne Entwicklungen setzen daher auf neue Ansätze der Nanotechnologie. Dieses Forschungsgebiet entwickelt sich aktuell rasant.

Die Herstellung von Nanoschaltern mit atomarer Größe, Schaltern mit sehr geringer Leistung und hohen Geschwindigkeiten steckt derzeit noch in den Kinderschuhen, wird aber weltweit stark vorangetrieben. Basis hierfür bilden so genannte Heterostrukturen, d. h., ebene, in zwei Dimensionen ausgedehnte Leiter, die in einer Richtung so dünn sind, dass man in atomare Bereiche kommt, so dass Quanteneffekte auftreten.

Auf Basis solcher Schichten können Y-Schalter definiert und realisiert werden, in denen nicht das Ein- und Ausschalten der Signale wie im Feldeffekttransistor das Schaltprinzip bildet, sondern das Schalten der Richtung und der Geschwindigkeit des Signals erfolgen kann [4-10].