Kreuz und quer

Nanoelelektronik verdrahten: Dünne Drähte lassen sich mit dicken Kontakten elektrisch ansteuern

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Dicht gepackte nanoelektronische Bauelemente nützen nichts ohne Verdrahtung. Amerikanische Forscher haben ein Prinzip entdeckt, mit dem sich solche Bauelemente mit nur sehr wenigen Drähten kontaktieren lassen, ohne Nano-Lithografie betreiben zu müssen, zudem lässt das Verfahren gewisse Fertigungstoleranzen zu. Eine nahe liegende technische Anwendung sind besonders filigrane Speicherbausteine und Logikschaltkreise, möglich wären künftig biomolekulare Sensoren mit einer räumlichen Auflösung von 10 Nanometern.

Wissenschaftler des California Institute of Technology in Pasadena haben ein Prinzip zum Verdrahten nanoelektronischer Bauelemente entdeckt, mit dem sich beispielsweise zukünftige Miniatur-Speicher ansteuern ansteuern ließen; sie berichten über ihre Ergebnisse in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Science vom 29. September 2005.

Mit fünf Paaren herkömmlich geformter Kontakte lassen sich 32 Nanodrähte ansteuern und einer von diesen auswählen (durchgehend rosarot markiert). Die sich baumartig verzweigenden Kontakte befinden sich sowohl ober- als auch unterhalb der 32 grau gezeichneten Nanodrähte, was das vertikale Justieren vereinfacht, auch wenn die exakte Kenntnis, welcher einzelne Nanodraht gerade kontaktiert ist, verloren geht. Der exakte Ort eines bestimmten Nanodrahtes ist technisch letztlich belanglos (A und B). Dank geeigneter Isolatoren mit besonders hoher (Hafnium-Dioxid) oder niedriger (poröses Quarz) relativer Dielektrizitätskonstante gelingt es mit einem spannungsgesteuerten Gate aus Metall klar zwischen ein- und abgeschalteten Drähten zu trennen. S und D bedeuten hier 'ein' bzw. 'aus'. (C) (Bild: James R. Heath, Caltech)

Die Forscher haben ein Bündel von 150 Nanodrähten aus Silizium einer Dicke von 13 nm und einem seitlichen Versatz von 34 nm angeschlossen. Während der optischen Lithographie derzeit nur minimale Längen einer Größenordnung eines zehntel Mikrometers zugänglich sind, liegt die Ausdehnung künftiger, aus Molekülen oder Makromolekülen zusammengesetzter elektronischer Bauelemente in der Größenordnung eines Nanometers.

Wie lassen sich nun Kontakte herstellen und filigrane Bauelemente ansteuern? Will man viele Nanodrähte mit wenigen dicken Drähten kontaktieren, so bietet sich ein Wechselschalter an, auch De-Multiplexer genannt. Ein Nanodraht, der normalerweise leitet, kann unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes isolierend werden, so lassen sie sich durch das Anlegen einer Spannung ansteuern und somit festlegen, welches Drähtchen leitend bleiben soll.

Die Zahl der zum Ansteuern von n filigranen Kontakten erforderlichen Drähte ist im wesentlichen der Zweierlogarithmus der Zahl n, eben die für eine Hausnummer nötige Anzahl der Stellen einer Binärzahl. Hinzu kommen jedoch – analog zu den heutigen DRAM-Speicherchips – zusätzliche redundante Nanodrähte, so dass sich die Zahl der Anschlüsse noch etwas erhöht. Dieser Kniff ist nötig, um die zulässigen Fertigungstoleranzen in praktikablen Größenordnungen zu halten.

Das Rasterelektronenmikroskop zeigt den Aufbau des De-Multiplexers mit abnehmender Vergrößerung: Nanodrähte aus Silizium (A), die Verzweigungen zum Ansteuern der Nanodrähte mit der porösen Quarzschicht darunter (B), das fertiges Bauelement (C) (D: De-Multiplexer, T: Prüfelektroden M: Metall-Kontaktierung) (Bild: James R. Heath, Caltech)