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An der Grenze des Machbaren

Seit den Anfängen der Computerindustrie überholen sich die neusten Rechnergenerationen immer wieder mit ihrer Rechengeschwindigkeit. Kaum ist ein Computer gekauft, kommt ein neuerer und schnellerer Rechner auf den Markt. Der rasante Geschwindigkeitszuwachs ist auch als das Mooresche Gesetz bekannt. Im Detail besagt es, dass sich die Zahl der Transistoren pro Flächeneinheit alle 18 Monate verdoppelt – und je mehr Transistoren, desto weniger Zeit benötigt der Computer für die Rechnung.

Gleichzeitig werden die Transistoren immer kleiner und umfassen immer weniger Atome. Aber schon weit bevor Chipstrukturen in die Dimension einzelner Atome schrumpfen, treten Effekte auf, die die Funktionalität der klassischen, sogenannten CMOS-Transistoren stören.

Im Forschungszentrum Jülich werden neuartige Strukturen und Materialien entwickelt, damit genug Rechenkraft für die Anwendungen der Zukunft zur Verfügung steht.

Eine Einschränkung der CMOS-Transistoren ist, dass alle ihre Komponenten flach auf einer Halbleiteroberfläche liegen. Komponenten, die zu nahe beieinander sind, beeinflussen sich gegenseitig durch Leckströme und Störfelder und der Transistor verliert die Fähigkeit ordentlich zu schalten.

Eine Lösung könnten dreidimensionale Strukturen sein, wie etwa nanometergroße Wände oder Säulen auf einer Siliziumoberfläche. Die Transistorteile könnten dann so angeordnet werden, dass sie sich gegenseitig gegen Störeffekte abschirmen. Solch innovative Strukturen erzeugen die Jülicher Forscher mit Elektronenstrahlschreibern und Ionen-Implantation und untersuchen sie mit hochauflösenden Elektronen- und Raster-Mikroskopen.

Eine weitere Einschränkung ist die Beweglichkeit der Elektronen im Siliziumhalbleiter. Diese Materialkonstante gibt eine untere Schranke für die Geschwindigkeit vor mit der Transistoren schalten können, also die Rechengeschwindigkeit der Chips. Eine Lösung könnte Verspanntes Silizium sein. Mittels eines patentierten Verfahren aus Jülich wird das Kristallgitter des Siliziums mechanisch verspannt und geweitet: Die Elektronen können sich schneller bewegen, die Schaltfrequenz steigt und die Leistungsaufnahme sinkt. Damit öffnet sich der Weg zu leistungsfähigeren und sparsameren Transistoren.


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