Gekreuzte Chipverdrahtung

Nanodrähte eigenen sich möglicherweise, um Siliziumchips kommender Generationen in drei Dimensionen zu verdrahten.

Cambridge (USA) - Die kleinsten Strukturen auf einem Computerchip messen heute rund 90 Nanometer. Mit verbesserten lithografischen Verfahren werden diese in Silizium geätzten Schaltkreise noch auf ein Drittel davon schrumpfen können. Um aber diese winzigen Schaltkreise auch mit entsprechend kleinen Drähten anschließen zu können, entwickelten amerikanische Physiker eine Technik, bei der sich halbleitende Silizium-Nanodrähte nachträglich in metallisch leitende Kontakte aus Nickelsilizid umwandeln lassen. Diesen Ansatz für die Nanochips der Zukunft beschreiben sie in der Fachzeitschrift "Nature".

"Unser Ansatz ist völlig kompatibel zur konventionellen, flachen Silizium-Elektronik und kann für gekreuzte Nanodraht-Architekturen im 10-Nanometer-Maßstab verwendet werden", berichten Charles M. Lieber und seine Kollegen von der Harvard University. Am Beginn ihres Experiments ließen die Forscher wenige Nanometer dicke Drähte aus purem Silizium aus einer heißen Silan-Wolke (SiH ₄) wachsen. (Das Verfahren nennt sich Chemical Vapour Deposition, CVD-Verfahren.) Winzige Goldcluster dienten ihnen dabei als Katalysator. Auf ausgewählte, halbleitende Si-Nanodrähte dampften sie danach Nickel auf. Nach einer Hitzebehandlung bei 550 Grad Celsius reagierte das Metall mit dem Halbleiter und es entstanden leitfähige Nickelsilizid-Strukturen (NiSi). Überschüssige Nickelanteile konnten über einen chemischen Ätzprozess beseitigt werden.

Unter dem Transmissionselektronenmikroskop erkannten Lieber und Kollegen, dass die rund 20 Nanometer dicken und wenige Mikrometer langen Silizium-Drähte nach der Reaktion mit Nickel gleichmäßig auf knapp 30 Nanometer Durchmesser angewachsen sind. Diese Drähte konnten Ströme mit bis zu 1,84 Milliampère leiten. Mit dieser Methode lässt sich elegant im Nachhinein ein zuverlässiger, elektrischer Kontakt in der gleichen Größenordnung wie die Halbleiter-Struktur selbst erzeugen.

Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt einen Feld-Effekt-Transistor, der aus einer NiSi/p-Si/NiSi-Nanodraht-Heterostruktur aufgebaut ist. Die optische Dunkelfeldaufnahme im kleinen Bild rechts oben zeigt dasselbe Bauteil - grün entspricht Silizium, NiSi ist dunkel zu sehen. Die weißen Balken entsprechen jeweils 3 µm. (Quelle: Wu/Harvard)

In weiteren Versuchen konstruierten die Wissenschaftler auch Nanodrähte, die auf einer Seite aus Silizium und auf der anderen aus Nickelsilizid bestanden. Zu einem Feldeffekt-Transistor angeordnet lagen in diesem Materialhybrid direkt die notwendigen elektrischen Kontakte für den Anschluss bereit. Auch an komplexere Heterostrukturen aus winzigen NiSi/Si/NiSi-Nanodrähten gekreuzt mit Si/SiO ₂-Fäden wagte sich die Arbeitsgruppe heran. Daraus erkannten die Wissenschaftler, dass Nanoschaltkreise im Prinzip extrem dicht auf einer hochreinen Oberfläche angeordnet werden können. Doch bevor solche Schaltkreise zu Millionen auf einen Chip gebannt werden, müssen noch effektivere Ordnungswerkzeuge entwickelt werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Yue Wu, Jie Xiang et al., Single-crystal metallic nanowires and metal/semiconductor nanowire heterostructures, Nature 430, 61 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02674   
• Harvard University: 
  http://www.harvard.edu   
• Arbeitsgruppe Charles M. Lieber:
  http://cmliris.harvard.edu   
• Feldeffekt-Transistor aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen:
  http://www.research.ibm.com/nanoscience/fet.html   
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Nanodraht-Heterostrukturen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Nanoröhren und -drähte.

Weitere Literatur:

• Yao, Z., Dekker, C. & Avouris, Ph., Electrical transport through single-wall carbon nanotubes, Top. Appl. Phys. 80, 147 (2001).   
• McEuen, P. L., Fuhrer, M. S. & Park, H., Single-walled carbon nanotube electronics, IEEE Trans. Nanotechnol. 1, 78 (2002).   
• Lieber, C.M., Nanoscale science and technology: Building a big future from small things, MRS Bull. 28, 486 (2003).   
• Lieber, C. M., The incredible shrinking circuit, Sci. Am. 285, 58 (2001).   
• Cui, Y., Zhong, Z., Wang, D., Wang, W. U. & Lieber, C. M., High performance silicon nanowire field effect transistors, Nano Lett. 3, 149 (2003).   
• Cui, Y., Lauhon, L. J., Gudiksen, M. S., Wang, J. & Lieber, C. M., Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires, Appl. Phys. Lett. 78, 2214 (2001).   
• Wu, Y. et al., Controlled growth and structures of molecular-scale silicon nanowires, Nano Lett. 4, 433