Nanotechnologie und Nanoelektronik – Elektronik-Grundlagen

Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter – auf diese Länge passen gerade einmal vier bis fünf Siliziumatome nebeneinander. In diesem Maßstab arbeiten heute die Transistoren jedes Smartphone-Prozessors. Doch Nanotechnologie ist mehr als „sehr klein“: Unterhalb von etwa 100 nm ändern Stoffe ihre Eigenschaften, und genau das macht den Bereich gleichzeitig schwierig und spannend.

Wie klein ist „nano“?

Als Nanotechnologie bezeichnet man den gezielten Umgang mit Strukturen zwischen etwa 1 und 100 nm. Zur Einordnung:

Logarithmische Größenskala vom Atom bis zum menschlichen Haar — Größenordnungen: Ein Haar ist rund zehntausendmal dicker als ein moderner Transistorkanal.

Der Vorsatz „nano“ steht für 10^-9 – siehe Einheitenvorsätze. Strukturen dieser Größe kann man mit Lichtmikroskopen nicht mehr sehen; man braucht Elektronen- oder Rastersondenmikroskope.

Die Idee ist älter als die Technik. Richard Feynman beschrieb schon 1959 in einem berühmten Vortrag, wie man Materie Atom für Atom anordnen könnte; das Wort „Nanotechnologie“ prägte der Japaner Norio Taniguchi 1974. Greifbar wurde sie erst mit dem Rastertunnelmikroskop, das Forscher bei IBM in Zürich Anfang der 1980er-Jahre entwickelten: Damit ließen sich einzelne Atome abbilden und mit der Spitze sogar verschieben. 1991 beschrieb Sumio Iijima die Kohlenstoff-Nanoröhren, bis heute eines der bekanntesten Nanomaterialien.

Was im Nanobereich anders ist

Zwei Effekte bestimmen das Verhalten nanoskaliger Stoffe:

Oberfläche dominiert. Je kleiner ein Teilchen, desto größer der Anteil der Atome an seiner Oberfläche. Oberflächenatome haben weniger Bindungspartner und sind reaktiver. Silberpartikel von wenigen Nanometern schmelzen und versintern deshalb weit unterhalb des Schmelzpunkts von kompaktem Silber (962 °C). Das nutzt man für leitfähige Nanotinten, mit denen sich Leiterbahnen auf Folie drucken lassen, und für Sinterpasten, die Leistungshalbleiter ohne Lot mit dem Substrat verbinden.

Quanteneffekte treten auf. Wird ein Elektron auf wenige Nanometer eingesperrt, kann es nur noch bestimmte Energien annehmen – ähnlich wie eine Saite nur bestimmte Töne. Bei Quantenpunkten (winzigen Halbleiterkristallen) bestimmt deshalb die Größe die Farbe des abgestrahlten Lichts: Kleinere Kristalle leuchten blauer, größere röter. Sie sorgen in „QLED“-Bildschirmen für reine Farben. Außerdem können Elektronen durch sehr dünne Isolierschichten tunneln – mehr dazu in Quantenphysik für Elektroniker.

Drei Quantenpunkte mit 2, 3 und 6 nm Durchmesser leuchten blau, grün und rot — Quantenpunkte: Je größer der Kristall, desto langwelliger das Licht.

Vergleich: kleines Teilchen mit vielen Oberflächenatomen, großes mit wenigen — Beim Nanoteilchen sitzen die meisten Atome an der Oberfläche, beim größeren Teilchen nur ein kleiner Teil.

Transistoren im Nanomaßstab

Die Nanoelektronik ist vor allem eine Geschichte der Transistorverkleinerung. Bei klassischen, planaren MOSFETs sitzt das Gate nur auf der Oberseite des Kanals. Unter etwa 20 nm Kanallänge konnte es den Kanal nicht mehr zuverlässig abschalten: Leckströme flossen unter ihm hindurch.

Die Lösung war, das Gate um den Kanal herumzulegen:

FinFET: Der Kanal ragt als schmale Rippe („Fin“) aus dem Wafer, das Gate umschließt ihn von drei Seiten.
Gate-all-around (GAA): Der Kanal besteht aus übereinandergestapelten, waagerechten Nanosheets, die das Gate von allen vier Seiten umschließt – jede Lage ist rundum von Gate-Material umgeben. Diese Bauform ist in den neuesten Fertigungsgenerationen angekommen.

Querschnitte von planarem Transistor, FinFET und Gate-all-around — Vom planaren Transistor über den FinFET zu Gate-all-around: Das Gate umschließt den Kanal immer vollständiger.

Die Verkleinerung wird allerdings immer teurer. Um feinere Strukturen zu belichten, braucht die Lithografie immer kürzere Wellenlängen – heute extremes Ultraviolett mit 13,5 nm, das nur im Vakuum und mit Spiegeln statt Linsen funktioniert. Jede neue Generation verschlingt Milliarden an Investitionen. Dazu kommt die Wärme: Je dichter die Transistoren gepackt sind, desto mehr Leistung muss pro Quadratmillimeter abgeführt werden.

Die Namen der Fertigungsprozesse wie „3 nm“ sind übrigens längst Marketingbezeichnungen. Keine Struktur auf dem Chip ist wirklich 3 nm groß; der Abstand zweier Gates liegt eher bei 40 bis 50 nm. Die echten Grenzen beschreibt Grenzen der modernen Halbleitertechnik.

Neue Materialien

Silizium bleibt das Arbeitspferd, doch die Forschung sucht nach Materialien, deren Eigenschaften schon im Nanomaßstab „eingebaut“ sind:

Graphen: eine einzige Lage Kohlenstoffatome in Wabenstruktur. Es leitet hervorragend, hat aber keinen Bandabstand – ein Graphen-Transistor lässt sich kaum ganz abschalten.
Kohlenstoff-Nanoröhren: zu Röhren aufgerollte Graphenlagen. Je nach Aufrollwinkel sind sie metallisch oder halbleitend; das Sortieren ist die große Hürde. Sie sind um ein Vielfaches zugfester als Stahl bei einem Bruchteil des Gewichts, leiten Wärme etwa so gut wie Diamant und vertragen eine rund tausendfach höhere Stromdichte als Kupfer. Halbleitende Röhren lassen sich p- und n-dotieren, sodass pn-Übergänge und Transistoren möglich werden. Zwei benachbarte Röhren, die ein elektrisches Feld zusammenbiegt und die aneinander haften bleiben, bis ein Gegenimpuls sie trennt, bilden sogar einen winzigen mechanischen Schalter – Grundlage für nichtflüchtige Speicher und nanoelektromechanische Systeme (NEMS).
Zweidimensionale Halbleiter wie Molybdändisulfid (MoS₂): nur drei Atomlagen dick, aber mit echtem Bandabstand.
Spintronik: Speicher wie MRAM nutzen nicht nur die Ladung, sondern den Spin der Elektronen – in nanometerdünnen Magnetschichten. Der Riesenmagnetowiderstand (GMR) solcher Schichten machte die Leseköpfe moderner Festplatten erst möglich.
Einzelelektronen-Transistoren und molekulare Elektronik gehen noch weiter: Sie schalten mit einzelnen Elektronen oder nutzen einzelne Moleküle als Bauelement – bisher vor allem im Labor.

Hergestellt werden Nanostrukturen entweder top-down – durch Lithografie und Ätzen aus größeren Schichten, wie in der Halbleiterfertigung – oder bottom-up, indem sich Atome und Moleküle durch chemische Prozesse selbst anordnen, etwa beim Wachsen von Nanoröhren oder Quantenpunkten aus Lösungen.

Graphen als flache Wabenlage und als aufgerollte Kohlenstoff-Nanoröhre — Graphen ist eine einzelne Lage Kohlenstoff in Wabenstruktur; zur Röhre aufgerollt entsteht eine Nanoröhre.

Chancen und Risiken

Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie, die längst im Alltag steckt: Nanopartikel aus Titan- oder Zinkoxid in Sonnencremes, kratzfeste Lacke und Brillengläser, schmutzabweisende Textilien, selbstreinigende Glasoberflächen, nanostrukturierte Elektroden in Akkus und Superkondensatoren, Katalysatoren im Abgasstrang. In der Medizin sollen Nanoteilchen Wirkstoffe gezielt an ihren Einsatzort bringen.

Nanopartikel können wegen ihrer Größe über die Lunge in den Körper gelangen, und ihre hohe Reaktivität macht sie biologisch anders wirksam als denselben Stoff in kompakter Form. Gerade die Fähigkeit, in Zellen einzudringen, die man für Medikamente nutzen möchte, macht sie auch zum Risiko. Lange, dünne Nanoröhren haben in Tierversuchen in der Lunge Entzündungen und Knötchen ausgelöst, ähnlich wie Asbestfasern. Viele Langzeitfolgen sind noch unklar; die Wirkung auf Gesundheit und Umwelt wird deshalb gesondert untersucht und reguliert.

Selbsttest

Warum schmelzen Nanopartikel bei niedrigerer Temperatur als derselbe Stoff in kompakter Form?

Ein großer Teil ihrer Atome sitzt an der Oberfläche; diese sind schwächer gebunden und lösen sich leichter aus dem Gitter.

Was unterscheidet einen FinFET von einem planaren Transistor?

Beim FinFET ragt der Kanal als Rippe heraus und wird vom Gate auf drei Seiten umschlossen, beim planaren nur von oben.

Warum ändert ein Quantenpunkt seine Leuchtfarbe mit der Größe?

Das eingesperrte Elektron kann nur bestimmte Energien annehmen; je kleiner der Kristall, desto größer die Energieabstände und desto kurzwelliger das Licht.