28. Oktober 2011

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Inzwischen ist die CMOS-Technologie soweit fortgeschritten, dass die aktiven
Bauelemente kleinste laterale Strukturen von etwa 22 Nanometern und vertikale bis
hinunter zu 2 Nanometern enthalten und bis zu 2 Milliarden Transistoren auf einem
Chip von etwa 2 Quadratzentimetern Größe vereinigt sind. Streng genommen han-
delt es sich hierbei also bereits um Nanoelektronik, die definitionsgemäß bei Struk-
turgrößen von unter 100 Nanometern beginnt. Konzeptionell handelt es sich dabei
aber eher um eine ultimativ verfeinerte Mikroelektronik. Von Nanoelektronik im
engeren Sinne spricht man deshalb erst, wenn neue Funktionsprinzipien zum Tra-
gen kommen, die ich später kurz vorstellen werde.
Die Abmessung 2 Nanometer entspricht in etwa der Dicke von etwa 10 Ato-
men. Man geht davon aus, dass bei weiterer Verkleinerung die auf kollektiven Phä-
nomenen beruhenden physikalischen Eigenschaften der Materie zusammenbrechen
werden. Bereits jetzt beobachtet man, dass die elektrischen Eigenschaften der Bau-
elemente nicht mehr dem üblichen Verhalten großer Festkörper folgen, sondern dass
im zunehmenden Maße Korrekturen vorgenommen werden müssen, die der Klein-
heit geschuldet sind.
Die CMOS-Technologie hat eine solche Bedeutung und ein solches Markt-
volumen bei gleichzeitig immensen Investitionskosten erreicht, dass die beteiligten
Firmen Interesse daran haben, erstens diese Technologie so lange wie möglich
aufrecht zu erhalten und zweitens, sich möglichst frühzeitig auf eine mögliche
Nachfolgetechnologie zu einigen. Alle zwei Jahre wird die ITRS (International
Technology Roadmap for Semiconductors) veröffentlicht, in der ähnlich einem
sozialistischen Fünfjahresplan dargelegt ist, welche Strukturgrößen und welche
Materialparameter erreicht werden müssen, um das Moore sehe Gesetz weiter ver-
folgen zu können. Hierbei spielt nicht nur die prinzipielle Machbarkeit eine Rolle
sondern in zunehmendem Maße die Wirtschaftlichkeit.
In den Forschungslabors werden seit etwa 20 Jahren alternative Konzepte ent-
wickelt, die auf grundsätzlich anderen Phänomenen basieren als die CMOS-Bauele-
mente. Dies fasst man unter dem Begriff Nanoelektronik zusammen. Dabei ist ein
Ansatzpunkt, weg zu gehen von der steten Verkleinerung, hin zum Aufbau von unten
aus einzelnen Atomen oder Molekülen: „bottom-up“ statt „top-down“. Inzwischen
sind die wesentlichen Funktionen, die es erlauben elektronische Schaltungen aufzu-
bauen, also Dreikontaktsysteme analog zu Transistoren, Gleichrichter in Zweikon-
taktanordnung, Verbindungselemente, Schalter mit Hilfe von einzelnen Molekülen
oder Atomen demonstriert worden. Damit ist gemeint, dass die wesentliche Funkti-
on eines Schaltkreises von nur einem Molekül oder einem Atom getragen wird,
wobei dieses jedoch angeschlossen ist an Zuleitungen mit deutlich größeren Abmes-
sungen. Ob diese „Molekulare Elektronik“ je zum Zuge kommen wird, hängt maß-
geblich davon ab, ob es gelingt die Methoden zu entwickeln, die notwendig sind, um
einzelne Bauelemente effizient miteinander zu verbinden und zu komplexen Schal-
tungen zu integrieren.
Im Moment befinden wir uns erstmals seit etwa 50 Jahren in einer Umbruch-
zeit der Elektronik. Dies wird deutlich in der aktuellen Roadmap: Die ITRS 2011
enthält erstmals Aussagen, dass die CMOS-Technologie in Zukunft, wenn vielleicht