Ein derzeit handelsüblicher Personal Computer enthält etwa zehn Millionen Transistoren. Sie kosten weniger als der Bildschirm oder die Tastatur, selbst ebenso viele Büroklammern wären sehr viel teurer (rund 24000 Mark). Daß eine solche Zahl hochentwickelter Komponenten längst auch für Privatpersonen erschwinglich ist, beruht auf der steten Weiterentwicklung der Fertigungsverfahren in der Mikroelektronik. Indem immer mehr komplette Schaltkreise auf einem einzigen Silicium-Wafer unterzubringen sind, lassen sich die Kosten der einzelnen Fertigungsschritte auf mehr und mehr Einheiten verteilen. Die Zahl der Transistoren pro Chip hat sich seit deren Markteinführung um 1960 durch zunehmende Miniaturisierung und Integration aller funktionellen Elemente um acht Größenordnungen erhöht (Bilder 3 und 4).
Wie lange kann dieser Trend noch anhalten? Vorhandene Konzepte der Isolierung, der Impedanz und der geschickten Nutzung anderer elektrischer Eigenschaften von Halbleitern werden voraussichtlich auch noch den Anforderungen der nächsten Bauelemente-Generation genügen. Jedoch treten mit fortschreitender Miniaturisierung gänzlich neue Effekte auf. So können sich benachbarte Strukturen gegenseitig störend beeinflussen. Unterschreiten die Dimensionen gar rund 100 Ångström (10 millionstel Millimeter), vermögen Elektronen die Energiebarrieren etwa eines p-n-Übergangs oder einer Isolatorschicht infolge des quantenmechanischen Tunneleffekts zu überwinden. Im Labor wurde diese Grenze bereits unterschritten; handelsübliche Bauelemente werden sie vermutlich in zehn Jahren erreichen. Schließlich dürften sich die Effekte der An- oder Abwesenheit eines einzelnen Atoms an einer bestimmten Stelle auswirken.

Problem der Feldstärken

Die zum Betrieb von Halbleiterkomponenten nötigen Spannungen erzeugen elektrische Felder; bei Feldeffekttransistoren ist das eine grundlegende Voraussetzung ihrer Funktion. Doch erhöht sich die Feldstärke mit abnehmenden Dimensionen und konzentriert sich beispielsweise an winzigen Kanten und Spitzen. Weitere Miniaturisierung erforderte also geringere Betriebsspannungen.
Das läßt sich aber nicht unbegrenzt fortführen. So muß eine Sperrspannung ein Vielfaches der thermischen Energie der zu blockierenden Elektronen liefern. Bei Silicium beträgt diese unter normalen Betriebstemperaturen 0,026 Elektronenvolt; Kühlen des Chips kann sie zwar verringern, doch ist das technisch aufwendig und damit teuer.
Zudem müssen Signale immer eine für die jeweilige Halbleitergrenzfläche charakteristische Mindestspannung aufweisen. Bei Silicium liegt diese Barriere je nach Stärke der Dotierung zwischen einem halben und einem Volt. Selbst eine solch geringe Spannung erzeugt, wenn sie über eine kurze Entfernung angelegt wird, ein sehr starkes elektrisches Feld. Wenn Elektronen hindurchwandern, können sie so viel Energie aufnehmen, daß sie die Bildung von Elektron-Loch-Paaren auslösen, die ihrerseits beschleunigt werden. Die resultierende Ketten-reaktion vermag eine Lawine von Ladungsträgern auszulösen und somit den Stromkreis zu unterbrechen. Im Streben nach immer höheren Schaltgeschwindigkeiten durch kürzere Signalwege zwischen den Transistoren hat man auch diese Grenzen mit den heutigen Chips fast erreicht.
Deshalb wurden beispielsweise Feldeffekttransistoren entwickelt, deren Felder so plaziert sind, daß sie keine Funktionen stören. Freilich erkauft man mit solchen Konstruktionen Nachteile hinsichtlich anderer Eigenschaften wie einfacher Fertigung, Zuverlässigkeit und langer Gebrauchsdauer.

Hohe Wärmeabgabe

Die Miniaturisierung erhöht auch die von jedem Quadratzentimeter Silicium abgegebene Wärmemenge. Denn mit den elektrischen Wegen verringern sich die damit verbundenen Energieverluste nur linear, während die Chipfläche in ihren beiden Dimensionen abnimmt. Somit sinkt bei Verkleinerung der Schaltkreise die Wärmeerzeugung pro Bauelement langsamer, als deren Zahl pro Flächeneinheit wächst.
Moderne Chips strahlen bereits ungefähr 30 Watt pro Quadratzentimeter ab. Einen solchen Wert erreichen sonst etwa 1200 Grad heiße Werkstoffteile; er ist rund zehnmal so hoch wie derjenige sehr guter Kochplatten. Selbstverständlich dürfen sich Schaltungen erst gar nicht dermaßen erhitzen; deshalb wurden zahlreiche sehr effiziente Kühltechniken entwickelt, deren Kosten jedoch mit zunehmender Wärmedichte schnell steigen.

Probleme bei der Fertigung

Hergestellt werden integrierte Schaltkreise in vielen Einzelschritten. Dazu bringt man Masken genannte Schablonen auf den Halbleiterkristall auf, die nur bestimmte Bereiche freilassen, und wendet dann Verfahren wie Diffusion, Bestrahlen, Dotieren oder Beschichten mit Metallen an, um Funktionselemente zu erzeugen oder zunächst Hilfsstrukturen für weitere Arbeitsschritte anzulegen beziehungsweise sie wieder abzubauen. Gleichzeitig werden sonstige Schaltungsteile wie Widerstände, Kondensatoren und Leiterbahnen geschaffen.
Bei jedem Schritt gibt es Abweichungen von den Vorgaben. So ist es sehr schwierig, Strahlen auf jede Stelle eines großen Wafers präzise zu fokussieren. Auch kann seine Temperatur von Punkt zu Punkt variieren, so daß chemische Reaktionen unterschiedlich schnell ablaufen; und die Gase in einer Reaktionskammer sind nicht immer perfekt gemischt. Somit können Bauelemente sowohl auf einem Wafer als auch von Scheibe zu Scheibe aus vielerlei Gründen leicht unterschiedliche Eigenschaften haben, mitunter sogar fehlerhaft sein. Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität sind aber stets kostspielig.
Allein aufgrund optischer Gesetzmäßigkeiten ist eine gewisse Ungenauigkeit nicht zu vermeiden: Das in der Photolithographie verwendete Licht wird beim Durchgang durch die Öffnungen der Maske gebeugt, bildet also deren Kanten leicht unscharf ab. Dieser Effekt wächst mit abnehmender Strukturgröße und erfordert immer kürzere Wellenlängen.
Bei Erfindung des Verfahrens Anfang der siebziger Jahre war man noch auf weißes Licht angewiesen. Dann ging man zu immer kürzerwelliger, monochromer Laserstrahlung über, bis Mitte der achtziger Jahre der Ultraviolett-Bereich des Spektrums erreicht war. Inzwischen wird mit tief ultravioletter Strahlung gearbeitet, obwohl die Entwicklung von Lasern für diese Wellenlängen nicht einfach war. Deutlich feinere Strukturen – als magische Grenze gelten Dimensionen von 0,1 Mikrometern (tausendstel Millimetern) – werden wohl den Einsatz von Röntgenstrahlen erfordern (Spektrum der Wissenschaft, Februar 1996, Seite 70).
Auch die mechanische Positionierung der Siliciumscheiben muß präziser funktionieren. Ferner sollten die Reinräume noch weniger Stäubchen enthalten und die Qualitätskontrollen zuverlässiger werden (Bild 1; siehe auch Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1994, Seite 108). Jede neue Generation von Schaltkreisen erfordert aufwendigere Verfahren.

Probleme der dritten Dimension

Mitunter erschließen Chip-Designer einen Siliciumwafer weit in die Tiefe, beispielsweise um Kondensatoren aus Platzgründen hochkant anzuordnen. Müssen große Signallaufzeiten infolge zu langer Leitungen vermieden werden, können sie ebenfalls die dritte Dimension in die Integration einbeziehen. Dann werden Bauelemente und Verbindungen im Halbleiter und auf dessen Oberfläche schichtweise, ähnlich einem Sandwich, aufgebaut.
Die Miniaturisierung elektronischer Schaltungen erfordert zudem generell immer mehr Verdrahtungsebenen. Das bedarf sorgfältigerer Planung, denn benachbarte Ebenen wechselwirken miteinander. Ihre Zahl wird in der Praxis von der Menge elektrischer Kontakte, die durch mehrere Ebenen zu führen sind, sowie von den höheren Kosten der erschwerten Endkontrolle beschränkt.

Ungenügende Modelle

Bewährte Routinen des Designs großer Bauelemente verlieren in mikrokosmischen Dimensionen mitunter ihre Gültigkeit. Dann sind exotische neue Phänomene zu berücksichtigen. Da diese rein analytisch prinzipiell nicht präzise zu fassen sind, greift man auf Computermodelle der Elektronenbewegung zurück.
Bei der Simulation wird jeweils ein einzelnes Elektron auf seinem Weg durch das Bauelement in kleinen Zeitschritten verfolgt. Die Berechnung der Wahrscheinlichkeit verschiedener möglicher Ereignisse beruht auf physikalischen Theorien und experimentellen Daten. Werden die Ergebnisse von Simulationen der Bewegung vieler tausend Ladungsträger addiert, erhält man ein recht genaues Bild, wie sich das Bauelement verhalten dürfte.
Nehmen wir als Beispiel die scheinbar einfache Frage, wie die Bewegung eines Elektrons in einem elektrischen Feld darzustellen sei. Es wird so lange beschleunigt, bis es die aufgenommene Energie durch Kollisionen wieder verloren hat und das Feld neue nachliefert. Bei relativ großen Bauelementedimensionen geschieht das so häufig, daß sich die Teilchen im Mittel mit konstanter Geschwindigkeit bewegen; das läßt sich mit einer einfachen linearen Gleichung beschreiben. Mit kürzer werdenden Abmessungen können die Elektronen diese Gleichgewichtsgeschwindigkeit nicht mehr erreichen und durchlaufen nur noch Beschleunigungsphasen. Das muß man mathematisch berücksichtigen.
Wird schon die Simulation wohlbekannter Phänomene derart schwierig – welche Probleme ergeben sich dann erst bei der unscharfen Physik des Ultrakleinen? Zur Entwicklung geeigneter Modelle muß man das Verhalten von Ladungsträgern mit einer zeitlichen Auflösung von Femtosekunden (billiardstel Sekunden) experimentell untersuchen.
Nicht allein das Design der Chips und der Transistoren darauf bedarf genauerer beziehungsweise neuer Modelle. Weil die Herstellung der zunehmend komplexeren integrierten Schaltkreise immer mehr Fertigungsschritte erfordert, von denen sich jeder auf den folgenden auswirken kann, müssen auch zahlreiche Fragen der Festkörperphysik von Halbleitern gelöst werden. Werden beispielsweise Dotierungsatome in einen Kristall eingebracht, ziehen sie andere an, stoßen sie ab oder beeinflussen deren Bewegungen auf andere Weise. Über solche Wechselwirkungen weiß man noch recht wenig; weitere Experimente und theoretische Studien sind darum erforderlich.
Ein weiteres Beispiel: Chemische Reaktionen auf der Oberfläche eines Siliciumkristalls erfordern eine Zufuhr von Atomen des Elements aus dem Festkörpergitter ähnlich einer Flüssigkeitsströmung. Führt sie etwa noch andere Bestandteile mit sich?

Hat der Transistor eine Zukunft?

Angesichts dieser Fülle von Problemen suchen Wissenschaftler nach Alternativen. Gibt es neue Technologien, die den Transistor nach einer fünfzigjährigen Erfolgsgeschichte – die letztlich auch die Festkörperphysik stark förderte – als Schalt- und Steuerelement nunmehr ablösen könnten? Meines Erachtens ist das nicht der Fall.
Wie schon die Vakuumröhre vor ihm verstärkt er sehr gut, bewirkt also mit kleinen Signaländerungen an seinem Eingang große am Ausgang. Konkurrenten, die sich gleichfalls zur Miniaturisierung eignen könnten, waren und sind ihm in dieser Hinsicht unterlegen. Ein Beispiel sind bistabile Elemente, die logische Funktionen ausführen, indem sie zwischen zwei stabilen Zuständen umschalten, die durch einen instabilen Übergang getrennt sind. Dazu eignen sich Schaltkreise, in denen die Stromstärke bei Überschreiten eines gewissen Maximums in einen anderen Kennlinienbereich springt (Bild 2).
Jede kleine Störung schaltet zwischen den stabilen Zuständen um. Deshalb kann auch hier eine geringe zusätzliche Stromzufuhr große Wirkung haben und somit in gewissem Sinne ein Signal verstärken. Das funktioniert aber nur innerhalb enger Toleranzen. Im Labor läßt sich zwar ein einzelner bistabiler Schalter sehr präzise auf den Übergangspunkt einstellen, doch schon bei einer Gruppe von Schaltern ist das nicht mehr möglich; komplexere Bauelemente lassen sich somit daraus nicht konstruieren.
Derartige Schwierigkeiten der Abstimmung ergeben sich auch bei nichtlinearen optischen Elementen. Zudem wechselwirken Lichtstrahlen kaum mit sich selbst – das ist aber zur Abbildung logischer Funktionen unabdingbar. Optische Signale müssen deshalb in einem Halbleiter in elektrische umgewandelt werden, damit die so erzeugte Spannung die optische Reaktion auf ein anderes Material ändert, wodurch wiederum ein Lichtstrahl moduliert wird.
Ein drittes Schalterkonzept sind Quanteninterferenz-Elemente, die auf dem Zusammenspiel von Wellen basieren. Im bekanntesten Fall, dem der elektromagnetischen Strahlung beziehungsweise des Lichts, wird eine Welle in zwei Strahlen zerlegt, die zunächst synchron schwingen. Legen sie jedoch unterschiedlich lange Wege zurück, treffen beim Zusammenführen unter Umständen verschiedene Phasen aufeinander. Überlagern sich Wellenberge, verstärken sie sich gegenseitig; treffen hingegen jeweils Berg und Tal genau zusammen, löschen sie einander. So ergibt sich ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen, deren Lage ein Maß für die relative Phase des Systems ist.
Elektronen haben ebenfalls Welleneigenschaften. Spaltet man die ursprüngliche Welle wieder in zwei Teilwellen und leitet sie zwar über den gleichen Weg, aber unterschiedlich schnell, ergibt sich bei der anschließenden Überlagerung Interferenz. Die Geschwindigkeit kann man mit einem elektrischen Feld verändern und somit auch erreichen, daß sich die Wellen gegenseitig aufheben, also kein Strom fließen kann.
Auf den ersten Blick ähnelt dies der Funktionsweise eines Feldeffekttransistors, bei dem ein elektrisches Feld den Strom durch einen Halbleiter steuert. Bei einem Interferenz-Element müssen jedoch die Bedingungen exakt stimmen: Ist die angelegte Spannung zu hoch oder zu niedrig, fließt zumindest ein geringer Strom. Ein solches Element kann also den binären Charakter eines nur noch schwachen Signals nicht durch Verstärkung wiederherstellen, wie es ein Feldeffekttransistor vermag, denn es wird ihm sein eigenes Rauschen hinzufügen.
Dem Mangel an echten Konkurrenten des Transistors steht dessen längst nicht ausgeschöpftes Entwicklungspotential gegenüber. Dazu gehören bislang wenig verwendete Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid und ähnliche Verbindungen, die man auch kombinieren kann, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Dabei sind Heteroübergänge herstellbar, an denen Kristallgitter unterschiedlicher Bandabstände aufeinandertreffen. Geschieht dies ungenau, entstehen Punktdefekte im Kristallgitter oder auch mechanische Spannungen; beides kann sich auf die elektrischen Eigenschaften auswirken – und gerade dies ist nutzbar.
Zwar wird damit die Physik komplizierter, doch lassen sich auch Konstruktionsprobleme der fortschreitenden Miniaturisierung mit solchen Techniken lösen. Beispielsweise verlangsamen Dotierungsatome, die Halbleitermaterialien mit Elektronen versorgen, gleichzeitig deren Bewegung. Abwechselnde Schichten zweier Halbleiter mit unterschiedlichen Elektronenenergien können den Effekt verringern. Dabei werden die Fremdatome in die höherenergetischen Materialien eingebracht; die abgegebenen Elektronen fallen dann in die niederenergetischen Lagen und können sich dort ungestört bewegen.Anfangs hat der Transistor nur in manchen bekannten Geräten Vakuumröhren ersetzt. Die dann entwickelte Vielfalt an Elektronik erforderte zunächst intensives Erlernen der Bedienung. Mittlerweile ist eine neue Anwendungsqualität erreicht: Gerade die zunehmende Komplexität elektronischer Schaltkreise ermöglicht sinnreiches Systemdesign, das die Nutzung immer mehr vereinfacht.Robert W. Keyes arbeitet am Thomas-J.-Watson-Forschungszentrum von IBM in Yorktown Heights (New York). Sein Hauptinteresse gilt der Halbleiterphysik, Halbleiterelementen und der Physik der Datenverarbeitungssysteme; diese Themen behandelt er vielfach in Veröffentlichungen und akademischer Lehre. Er ist auch Inhaber von acht Patenten. Promoviert hatte er an der Universität Chicago. Er beteiligt sich an Programmen des amerikanischen Nationalen Forschungsrats, der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft und des US-Instituts der Elektro- und Elektronikingenieure


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1998, Seite 89
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