Nano-Röhrchen auf Chips mit 1 GHz demonstriert

Praxisnahe Verdrahtung auf Halbleitern

In den USA haben Forscher der Stanford-Universität, der Keimzelle des Silicon Valley, erstmals Chip-Verdrahtungen mit Nano-Röhrchen aus Karbon bei der Geschwindigkeit eines Mikroprozessors konstruiert. Das Experiment könnte den Durchbruch bei dieser Grundlagentechnik für noch schnellere Chips darstellen.

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Die Geschwindigkeitssteigerungen bei Prozessoren der letzten zehn Jahre sind im Wesentlichen auf die anhaltende Gültigkeit von Moores Law zurückzuführen: Immer mehr Transistoren und damit Funktionseinheiten werden auf immer weniger Raum untergebracht. Dafür müssen die Strukturbreiten aber stetig sinken.

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Während sich bei den Transistoren die Funktion bei dieser Miniaturisierung immer besser durch neue Materialien wie High-k-Dielektrika garantieren lässt, stößt die Halbleiterbranche bei den Leiterbahnen, den "Wires" auf den Chips, an die Grenzen der Physik. Je dünner eine Metallverbindung ist, desto eher treten Wärmeeffekte und andere Anomalien auf. Das beste Beispiel ist die Glühlampe: Sie wird nur deswegen so heiß, weil ein starker Strom durch einen dünnen Draht gepresst wird.

Als beste Lösung für dünnere Wires in Halbleitern gelten Nano-Röhrchen aus Kohlenstoff. Dessen elektrische Eigenschaften sind jedoch bisher noch nicht mit hohen Taktfrequenzen in Einklang zu bringen. Zwar taktet auch ein 3-Gigahertz-Prozessor nicht in allen Bereichen mit dieser Geschwindigkeit, Frequenzen im Gigahertz-Bereich sind jedoch für alle Wires in einem Prozessor gefordert.

Eine solche Konstruktion aus Nano-Wires auf einem Silizium-Halbleiter bei Gigahertz-Frequenz haben nun erstmals Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien zustande gebracht. Unterstützt wurden sie dabei von Toshiba America. Die Forscher bauten einen üblichen Test-Chip mit 256 Ring-Oszillatoren aus immerhin 11.000 Transistoren. Je ein Anschluss der Oszillatoren blieb ohne Verbindung, hergestellt wurde der Chip mit herkömmlichen Methoden der Halbleiter-Fertigung bei TSMC in Taiwan, wo unter anderem AMD und Nvidia ihre Grafikprozessoren herstellen lassen.

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In Stanford wurde dann die fehlende Verbindung mit einem Nano-Röhrchen von 50 Nanometern Durchmesser hergestellt. 19 der 256 Ring-Oszillatoren funktionierten darauf und 16 davon erreichten Geschwindigkeiten über 800 Megahertz, mit Spitzenfrequenzen von 1,02 Gigahertz. Die geringe Ausbeute der Verbindungen führen die Forscher auf Unreinheiten im Karbon zurück, dessen Gitterstruktur auch noch nicht optimal für Leiterbahnen sei. Selbst einen vagen Zeitraum für eine Serienreife des Verfahrens geben die Forscher nicht an.

Die Experimente fanden unter der Leitung des Doktoranden Gael Close statt, der mit seinen Co-Autoren das Verfahren in den 'Nano Letters' veröffentlicht hat.

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