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Quantenpunkt-Chips für das Internet der Dinge

Dieses Ionenmikroskop in Dresden-Rossendorf kann 3D-Bilder von Strukturen liefern, die nur wenige Nanometer klein sind. Das Ionenmikroskop am HZDR produziert einen ultrafein gebündelten Strahl aus Neon-Ionen. Damit lassen sich dünne Schichtstapel so modifizieren, dass sich nach einer zusätzlichen Temperaturbehandlung selbstständig Silizium-Quantenpunkte bilden. Foto: HZDR / Oliver Killig

Dieses Ionenmikroskop in Dresden-Rossendorf kann 3D-Bilder von Strukturen liefern, die nur wenige Nanometer klein sind. Und es kann einen ultrafein gebündelten Strahl aus Neon-Ionen produzieren. Damit lassen sich dünne Schichtstapel so modifizieren, dass sich nach einer zusätzlichen Temperaturbehandlung selbstständig Silizium-Quantenpunkte bilden. Nun müssen die Ions4Set-Projektpartner Produktionsmethoden finden, die sich für den Masseneinsatz in Chipfabriken eignen. Foto: HZDR / Oliver Killig

Konsortium unter Dresdner Führung will energiesparsame Einzel-Elektronen-Schalter entwickeln

Dresden-Rossendorf, 31. Januar 2016. Damit den Smartphones, intelligenten Klamotten und all den anderen Millionen von Geräten, die sich in Zukunft im „Internet der Dinge“ vernetzen sollen, nicht zu früh der „Saft“ ausgeht, wollen europäischer Halbleiter-Experten in einem gemeinsamen Projekt „Ions4Set“ neuartige stromsparende Quantenpunkt-Computerchips entwickeln. Die kleinsten Schalter darin sollen Informationen in einzelnen Elektronen speichern können und nur noch wenige Millionstel Millimeter (= Nanometer) messen. Offizieller Projektstart soll morgen (1. Februar 2016) im Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) sein, das auch die Konsortial-Leitung übernommen hat. Mit an Bord sind auch Mikroelektronik-Riesen wie Globalfoundries, STMicroelectronics und X-Fab.

Hemmschuh ist hoher Stromverbrauch

„Milliarden kleiner Computer werden in Zukunft über das Internet oder auch lokal miteinander kommunizieren. Ein großer Hemmschuh ist derzeit aber noch der hohe Stromverbrauch“, betonte Projektkoordinator Dr. Johannes von Borany vom HZDR. „Prinzipiell gibt es hier zwei Wege: Entweder man verbessert die Batterien oder man entwickelt Computerchips, die deutlich weniger Energie benötigen.“

Schematischer Aufbau eines neuartigen Einzelelektronen-Transistors nach dem "gate-all-around"-Prinzip: In einer Nanosäule umschließt eine isolierende Schicht den zentralen Quantenpunkt. Grafik: HZDR

Schematischer Aufbau eines Einzelelektronen-Transistors (SET) nach dem „gate-all-around“-Prinzip: In einer Nanosäule umschließt eine isolierende Schicht den zentralen Quantenpunkt. Grafik: HZDR

Quantenpunkt-Linse bildet sich durch Teilchenbeschuss und Hitze

Und diesen zweiten Ansatz folgen die Single-Elektron-Transistoren (SET), für die erste Designs inzwischen vorliegen. Dabei werden auf Siliziumscheiben (Wafer), wie sie auch in heutigen Chipfabriken verwendet werden, 20 Nanometer (nm) schlanke Säulen aus Silizium erzeugt, in die kleine Schichten aus dem Isolator Siliziumdioxid eingebettet werden. Dann beschießen die Forscher diese Isolator-Linsen mit geladenen Teilchen und erwärmen sie. Dadurch formiert sich laut Projekt-Initiator Dr. Karl-Heinz Heinig in der Mitte selbstständig ein sogenannter Quantenpunkt aus einigen Hundert Silizium-Atomen, der weniger als 5 nm klein ist. Dieser kann dann wie ein einzelnes Wächter-Elektron vor einem Tor den Stromfluss im Chip starten oder sperren, also auf kleinstem Raum und mit sehr wenig Stromverbrauch die Information „0“ bzw. „1“ speichern und verarbeiten. Damit diese empfindlichen SETs mit der Außenwelt kommunizieren können, wollen die Projektpartner auf ihren Pilotchips zudem auch ganz gewöhnliche Feldeffekt-Transistoren (FETs) einbauen, wie sie heute schon in Computerchips üblich sind.

Auf ihren Chips wollen die Forscher Einzel-Elektronen-Transistoren (SETs) und normale FET-Schalter kombinieren. Abb.: HZDR

Auf ihren Chips wollen die Forscher Einzel-Elektronen-Transistoren (SETs) und normale FET-Schalter kombinieren. Abb.: HZDR

EU gibt 4 Millionen Euro

Das Konsortium will in den nächsten vier Jahren den Weg vom neuen Prinzip bis hin zum funktionierenden Prototyp gehen. Die EU fördert das Forschungsprojekt mit vier Millionen Euro. Gelingt es den Partnern, das Konzept rechtzeitig zur praxistauglichen Serienreife zu führen und bei Zimmertemperatur funktionierende Quantenpunkt-Elektronik herzustellen, könnten diese Chips zu einem echten Wettbewerbsvorteil für die europäische Mikroelektronik werden.

Neben dem HZDR und den Chipunternehmen gehören zu den Projektpartnern von Ions4Set auch das französische Mikroelektronik-Forschungsinstitut CEA-Leti, das spanische Mikroelektronik-Zentrum in Barcelona (CSIC), das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen, das Institut für Mikroelektronik und Mikrosysteme (IMM) des italienischen CNR und die Universität Helsinki in Finnland.

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