Eine schnellere Alternative zu den Chips von der Rolle

Transistoren aus Silizium-Nanodrähten auf Glas-Träger erzielen Oszillationsfrequenz über 10 MHz

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Polymer-Elektronik, also Chips von der Rolle, werden der Elektronik neue Anwendungsfelder erschließen, beispielsweise Funketiketten. Aus Polymeren aufgebaute Transistoren schalten recht langsam, was bei technisch eher anspruchslosen Anwendungen zu verschmerzen ist. Falls Schaltkreise auf Folien- oder Glas-Trägern schneller rechnen sollen, dann kommt wieder das bewährte Silizium ins Spiel, mit Feldeffekttransistoren, in denen Nanodrähte aus Silizium den Kanal bilden. Eine potentielle Anwendung wären Displays mit hoher Bildwechselfrequenz, wobei Flüssigkristallanzeigen hier nur noch Nischen übrig lassen dürften, weiterhin möglicherweise Chipkarten für Anspruchsvolle.

Mit Verfahren, die der Drucktechnik ähneln, lassen sich elektronische Schaltkreise aus Polymeren auf so allerhand Trägern wie Glas und Plastik zusammensetzen. Sie sind federleicht, biegsam und besonders preisgünstig. Manche dieser Träger sind nicht temperaturbeständig, so dass manche organische Stoffe für die Elektronik nicht in Frage kommen oder die Transistoren aus amorphem Silizium hergestellt werden müssen, womit der Nachteil langsamer Schaltkreise einhergeht.

Die hier erwähnten Schaltkreise aus nanostrukturiertem Silizium lassen sich bei niedriger Temperatur aufbringen. Die Ladungsträgerbeweglichkeit der halbleitenden Silizium-Nanodrähte entspricht der des kristallinen Siliziums.

Um die erzielbare Rechengeschwindigkeit zu demonstrieren, hat eine Gruppe von Forschern der Harvard-Universität einen Ringoszillator auf einem Glas-Träger aufgebracht, sie berichteten ihre Ergebnisse am 28. April 2005 in der Zeitschrift Nature in Band 434 auf Seite 1085.

Der einfachste mögliche Ring-Oszillator (c) besteht aus drei in Reihe geschalteten Invertern (a). Aus Bild (d) lässt sich eine gemessene Oszillationsfrequenz von 11,7 MHz ablesen. Bild (b) zeigt die Spannungsverstärkung der Feldeffekttransistoren, das Eingangssignal mit einer Frequenz von 1 MHz ist rot, das Ausgangssignal grün gezeichnet. (Bild: Charles M. Lieber, Harvard University)

Der einfachste Ringoszillator besteht aus drei in Reihe geschalteten Invertern, allerdings rückgekoppelt und somit geschlossen, daher der Name; natürlich kann die Rechnung wegen der ungeraden Zahl der Inverter nicht aufgehen, das ist gerade der Trick an der Sache. Ein Inverter besteht wiederum aus zwei Feldeffekttransistoren.

Feldeffekttransistoren aus organischen Materialien, insbesondere Polymeren, laufen 20 Mal langsamer als die hier beschriebenen Nanodraht-Transistoren aus Silizium, amorphes Silizium ist mindestens eine Größenordnung langsamer, Feldeffekttransistoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen sind sehr viel langsamer. Die Herstellung ist recht aufwendig und damit nicht gerade billig: Aluminium-Gates werden auf einer Glasscheibe mittels Photolithografie und thermischer Verdampfung geformt. Gate-Dielektrika aus Siliziumnitrid lassen sich mittels plasmaunterstütztem Abscheiden aus der Gasphase aufbringen, Durchkontaktierungen mittels Photolithografie und Ätzen formen; schließlich lassen sich p-dotierten Filme aus Silizium-Nanodrähten auf einer Nitrid-Fläche präparieren, den Filmen werden durch Photolithografie Muster aufgeprägt. Source- und Drain-Kontakte werden wieder lithografisch und durch thermisches Verdampfen aus Nickel hergestellt, ebenso Gate-Kontakte. Die Gate-Länge beträgt 2 µm.

Die bisher recht hohe Versorgungsspannung von mindestens 35 Volt scheint einer technischen Anwendung eher entgegen zu stehen, jedoch sehen die Autoren hier noch Verbesserungspotential.