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Die ersten Forschungs-Chips mit Kohlenstoffnanoröhren werden gefertigt

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nanotube-chipAlle großen Chiphersteller und Auftragsfertiger im Halbleitermarkt arbeiten derzeit an den technischen Umsetzungen künftiger Fertigungstechnologien. Aktuell in der Fertigung befinden sich Chips, die in 7 nm gefertigt werden. Die Namensgebung der Fertigungsprozesse gibt nicht immer ganz die wirkliche Umsetzung wieder oder lässt sich an konkreten Zahlen festmachen, die Packdichte bei den Transistoren erreicht jedoch immer neue Höchstwerte.

Doch die Hersteller sehen auch Limits der aktuellen Entwicklung unter Verwendung bekannter Silizium-Techniken. Dies hat auch TSMC erkannt und erst kürzlich über Mittel und Wege gesprochen, diese Grenzen noch weiter hinauszuzögern. Dabei eine Rolle spielen sollen Kohlenstoffnanoröhren. In Kohlenstoffnanoröhrchen werden Abstände von 1,2 nm zwischen den Kohlenstoff-Atomen erreicht. Die Kohlenstoffnanoröhren sind zudem Halbleiter und haben sehr gute elektrische Eigenschaften wie eine unter bestimmten Bedingungen hohe Leitfähigkeit.

Doch die Verarbeitung der Kohlenstoffnanoröhren ist nicht ganz einfach. Schon das Erstellen der Röhren hat zahlreiche Hürden. Da in der Halbleitertechnik eine besondere Reinheit und Gleichmäßigkeit gefordert wird, steigen die Anforderungen zusätzlich. Bisher sind viele auf Kohlenstoffnanoröhren basierende Techniken, sei es im Halbleiterbereich oder der Werkstoffkunde, kaum über das Experimentierstadium hinaus gelangt.

Doch dies soll sich nun ändern. Forscher des MIT (Massachusetts Institute of Technology) und Analog Devices haben einen RISC-V-Prozessor mit 32 Bit Recheneinheiten und einer 16 Bit Speicherverwaltung gefertigt, der Kohlenstoffnanoröhren verwendet. Dies bedeutet aber noch lange nicht, dass wir eine solche Technik allzu bald in unseren Endkunden-Chips sehen, könnte aber eine erster großer Schritt sein die aktuelle Silizium-basierte Fertigungstechnik abzulösen.

Die großen Probleme in der Fertigung mit Kohlenstoffnanoröhren sind die Reinheit, die zwar schon 99,9 % erreicht, was bei Millionen und Milliarden von Nanoröhren aber noch immer zu wenig ist. Hier müssen die Prozesse für das Wachstum der Röhren weiter verbessert werden. Ein weiteres Problem ist, dass Kohlenstoffnanoröhren zwar Halbleiter sind, ihre Dotierung in P-Type und N-Type aufgrund der Größe aber extrem schwierig ist. Außerdem können die Kohlenstoffnanoröhren nicht direkt auf dem Chip oder dem späteren Trägermaterial gezüchtet werden, sondern werden an anderer Stelle erzeugt, um dann sozusagen verpflanzt zu werden. Die Orientierung der Röhren ist dabei von entscheidender Bedeutung. Dies für mehrere Millionen Kohlenstoffnanoröhren umzusetzen, stellt eine große Herausforderung dar. Es entsteht in den Röhren immer ein gewisses Chaos, die Ausrichtung aller Röhren in einer Richtung ist aktuell nicht möglich.

Die Forscher haben das Chaos der nebeneinander und übereinander liegenden Kohlenstoffnanoröhren zunächst einmal akzeptiert und diese auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht. Dieses Substrat dient als Kontaktschicht zu den einzelnen Nanorohren. Danach wurde eine spezielle Schicht aufgetragen, welche die überflüssigen Röhren binden soll. Per Ultraschall wurde diese Schicht zusammen mit den unerwünschten Nanoröhren abgetragen, so dass nur eine untere Schicht aus Röhren in einer Ebene übergeblieben ist. An dieser Stelle wurde weitere überflüssige Kohlenstoffnanoröhren abgeäzt. Eine spezielle Oxidschicht mit unterschiedlichen Metallen wird nun aufgetragen und darüber auch die N- und P-Dotierung der Nanoröhren erreicht. Über diese Schicht erfolgt außerdem die Stromversorgung des Chips. Es handelt sich somit um einen 3D-Chip, da auch die Z-Ebene als aktives Element verwendet wird.

Dem daraus entstandenen Chip namens RV16X-NANO ist es möglich, 32-Bit-Instruktionen der RISC-V-Architektur zu verarbeiten. Hinzu kommt ein 16 Bit breites Speicherinterface. Der Prozessor besteht aus 14.000 Transistoren, die wiederum aus Kohlenstoffnanoröhren bestehen. Da jedes Nanorohr individuell gesetzt wurde, sind auch 100 % der Transistoren funktionsfähig – die Ausbeute im Chip liegt bei 100 %.

Aufgrund der noch immer großen Abstände der Röhren untereinander, ihrer Länge, der langen Signalwege über das Substrat und viele weitere Faktoren liegt der Takt eines solchen Chips bei nur 10 kHz. Aber immerhin können bereits einfache Programme darauf ausgeführt werden.

Die Hürden für eine serienreife Fertigung von Chips mit Kohlenstoffnanoröhren sind weiterhin hoch. Doch es wurde nun bewiesen, dass es möglich ist, einen mehr oder weniger komplexen Chips zu fertigen. Mit inzwischen 39,54 Milliarden Transistoren sind wir bei den EPYC-Prozessoren der zweiten Generation in einer Komplexität, gegen die der RISC-V-Prozessor mit Kohlenstoffnanoröhren und 14.000 Transistoren natürlich wenig ausrichten kann. Beim Takt sind ebenfalls noch zahlreiche Verbesserungen in der Fertigung notwendig. Dabei eine Rolle spielen die Orientierung der Kohlenstoffnanoröhren, ihre Länge, die genaue Positionierung und vieles mehr. Die Wissenschaftler sind sich aber sicher, dass diese Probleme lösbar sind, auch wenn es noch einige Jahre dauern wird.