Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Durchbruch in Carbon-Nanotube-Technik - Erstmals gezieltes Wachstum

06.06.2002


Forschern des Münchener Halbleiterherstellers Infineon Technologies ist ein entscheidender Durchbruch in dem viel versprechenden Forschungszweig der Carbon Nanotubes (CNT) gelungen. Ein in der Halbleiterindustrie erprobtes und bewährtes Verfahren wurde so modifiziert, dass CNTs erstmals an vordefinierten Stellen auf 6-Zoll-Wafern aufwachsen. Die für viele Anwendungen hoch interessanten Eigenschaften der CNTs wie beispielsweise Stromdichten von bis zu 1010 Ampere pro Quadratzentimeter und eine annähernd doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Diamanten können damit erstmals in Wafer-kompatiblen Prozessen für die IC-Entwicklung genutzt werden. Zahlreiche weitere Features machen CNTs zum Top-Material der zukünftigen Halbleitertechnik mit signifikant höherer Zuverlässigkeit und beträchtlichem Steigerungspotential bei Chip-Taktraten.

CNTs gehören zur Familie der Fullerene und stellen neben Graphit und Diamant die dritte Modifikation von Kohlenstoff dar. Ein Fulleren ist ein Cluster mit in sich geschlossener polyedrischer Struktur (also eine Art Nano-Fußball), bestehend aus einer geraden Anzahl (meist 60 oder 70) von Kohlenstoffatomen. CNTs sind jedoch nicht rund sondern länglich und stellen winzige, nahtlose Röhren mit einem extrem hohen Längen/Durchmesser-Verhältnis dar. Der Durchmesser variiert zwischen 0,4 und 100 nm, während die Länge derzeit 1 mm erreichen kann.

Die für die Halbleiterindustrie wohl interessanteste Eigenschaft von CNTs ist ihre extrem hohe Stromleitfähigkeit. Aufgrund des sogenannten ballistischen Elektronentransports wird das Ohm’sche Gesetz außer Kraft gesetzt und der elektrische Widerstand ist eine nahezu längenunabhängige Konstante. Quantenmechanische Effekte führen zu einem Widerstand von R0 = h/4e2 = 6,5 kΩ pro Röhre, der durch Parallelschaltung noch weiter verringert werden kann. Diese bemerkenswerte Eigenschaft der CNTs ermöglicht Stromdichten von bis zu 1010 Ampere pro Quadratzentimeter. Dies ist ein enorm hoher Wert, wenn man bedenkt, dass Kupfer bei einer Stromdichte von etwa 107 A/cm2 zu schmelzen beginnt. Angesichts der Expertenmeinung, dass Halbleiter-Chips in etwa zehn Jahren eine Stromdichte von 3,3 x 106 A/cm2 bewältigen müssen, ist die Tragweite dieser CNT-Eigenschaft nicht hoch genug einzuschätzen. Mit konventionellen Stromleitern ist dies kaum realisierbar, jedenfalls nicht ohne extreme Hitzeentwicklung.

Dadurch, dass in CNTs der Strom praktisch ohne „Reibung“ fließt, entsteht auch keine überschüssige Hitze, die es abzuführen gilt. Hitze entwickelt sich bei Einsatz von CNTs als Stromleiter nur an den Kontaktstellen zu anderen Materialien. Doch hier hilft eine weitere günstige Eigenschaft von CNTs: ihre extrem hohe Wärmeleitfähigkeit. Sie übertrifft selbst die von Diamant, dem Material mit der bislang höchsten bekannten Wärmeleitfähigkeit von 3.000 W/(K m). Experten rechnen mit einem zweimal so großen Wert für CNTs. Ein geradezu traumhafter Wert, wenn man bedenkt, welche Tricks die Chip-Industrie bereits heute anwenden muss, damit Hochleistungsprozessoren nicht – im wahrsten Sinne des Wortes – durchbrennen.

Erprobtes Verfahren der Halbleiterhersteller erfolgreich modifiziert

Schon diese wenigen Eigenschaften reichen aus, um CNTs zum Top-Material der zukünftigen Halbleitertechnologie zu machen. Das Problem bislang war nur, dass die Herstellungsverfahren für CNTs – Laserverdampfung oder Lichtbogenentladung – mit der Halbleitertechnik nur schwer zu vereinbaren sind. Das hat Infineon nun geändert und man kann zu Recht von einem großen Schritt vorwärts in der CNT-Technik sprechen. Dem Infineon-Team unter Leitung von Dr. Wolfgang Hönlein, Senior Director im Forschungsbereich Nano-Prozesse, ist es gelungen, CNTs in einem hochparallelen Batch-Prozess auf einem 6-Zoll-Wafer an vordefinierten Stellen aufzuwachsen. Die Infineon-Wissenschaftler modifizierten dabei erfolgreich ein in der Mikroelektronik weit verbreitetes Abscheidungsverfahren. „Sämtliche Prozessparameter wie Temperatur und verwendete Materialien sind voll mit herkömmlichen Prozessen in der Halbleiterherstellung vereinbar“, führte Dr. Franz Kreupl, Forscher im Nano-Team, aus.

„Die hier erzielten Resultate lassen sich beliebig reproduzieren und die Strukturen sind mit ausreichender Homogenität über die ganze Scheibe hinweg an den vorbestimmten Stellen gewachsen,“ sagte Dr. Sönke Mehrgardt, im Vorstand von Infineon verantwortlich für Technologie. "Der Vorgang des Aufwachsens dauert nur wenige Minuten. Das alles sind optimale Voraussetzungen für die produktionstechnische Anwendbarkeit in der Halbleiterherstellung.“

Als erste mögliche Applikation der technologischen Innovation kommen Vias in Frage, also Kontaktbrücken zwischen zwei Metallschichten in ICs. Konventionelle Vias tendieren dazu, sich bei größeren Stromdichten aufgrund der Hitzeentwicklung zu verformen und so die Funktionsfähigkeit des Chips zu beeinträchtigen. Diese Gefahr bestünde bei Einsatz von CNTs als Vias nicht mehr, denn sie bewältigen weitaus größere Stromdichten und besitzen überdies eine viel größere mechanische Stabilität. „Im nächsten Schritt wäre denkbar, dass wir mit den gewonnen Erkenntnissen in der Lage sind, sämtliche metallische Leiterbahnen im Chip durch CNTs zu ersetzen“, so Dr. Franz Kreupl. Das würde dann letztlich zu einer beträchtlichen Steigerung der Chip-Taktraten führen.

Dreidimensionale Szenarien

Die Übernahme der Leiterbahnfunktion durch CNTs ist jedoch nur eine Einsatzmöglichkeit dieses vielseitigen Materials. Ein weiteres bedeutsames Merkmal der Tubes ist die Möglichkeit, dass man sie auch halbleitend herstellen und dotieren kann. So lassen sich auch aktive Schaltelemente wie Feldeffekttransistoren mit CNTs bilden. Bei halbleitenden Tubes kann man durch Einstellung des Durchmessers die Energie-Lücke dimensionieren. Typischerweise beträgt sie 1 Elektronen-Volt bei 1 nm Durchmesser, was etwa den Verhältnissen bei Silizium-Transistoren entspricht. Die Infineon-Forscher arbeiten daran, auch die halbleitenden CNTs gezielt auf einen Wafer zu bringen – unter Einsatz des gleichen katalytischen Abscheidungs-Verfahrens. „Die ganze Thematik geht weit in die Zukunft. Es ist durchaus denkbar, dass diese Technologie als Gesamt-Substitut für die Silizium-basierte Halbleitertechnologie in Frage kommt“, so Teamchef Dr. Hönlein. In dem Fall könnte das relativ teure Silizium als Substrat abgelöst werden, zum Beispiel durch Glas. Doch damit nicht genug. Infineon-Visionäre spielen bereits Szenarien durch, mit CNTs die heutigen planaren Mikroschaltungen zu einer echten 3D-Technologie zu erweitern.

Über Infineon

Infineon Technologies AG, München, bietet Halbleiter- und Systemlösungen für Anwendungen in der drahtgebundenen und mobilen Kommunikation, für Sicherheitssysteme und Chipkarten, für die Automobil- und Industrieelektronik, sowie Speicherbauelemente. Infineon ist weltweit tätig und steuert seine Aktivitäten in den USA aus San Jose, Kalifornien, im asiatisch-pazifischen Raum aus Singapur und in Japan aus Tokio. Mit weltweit rund 33.800 Mitarbeitern erzielte Infineon im Geschäftsjahr 2001 (Ende September) einen Umsatz von 5,67 Milliarden Euro. Das DAX-Unternehmen ist in Frankfurt und New York (NYSE) unter dem Symbol „IFX“ notiert.

Reiner Schönrock | Investor Relations

Weitere Berichte zu: CNT Diamant Durchmesser Stromdichte Wärmeleitfähigkeit

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Verbesserung des mobilen Internetzugangs der Zukunft
21.07.2017 | IHP - Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik

nachricht Affen aus dem Weltraum zählen? Neue Methoden helfen die Artenvielfalt zu erfassen
21.07.2017 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten