News : Robuste und sparsame Schaltkreise aus Nano-Diamanten

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Elektroingenieure der Vanderbilt University in den USA haben die nötigen Komponenten – Transistoren und Logikgatter – entwickelt, um Schaltkreise aus dünnen Nanodiamantfilmen zu fertigen, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften bei extremen Temperaturen und hoher Strahlung nutzen lassen und sehr wenig Energie benötigen.

Zudem bieten sie das Potenziell für höhere Geschwindigkeiten als Schaltkreise aus Silizium. Da Diamant das inerteste bekannte Material ist, also kaum mit anderen Stoffen reagiert, ist es praktisch immun gegen Schäden durch Strahlung und hohe Temperaturen. Daher würden sich solche Schaltkreise beispielsweise im militärischen Bereich, in der Raumfahrt, in Nuklearanlagen oder auch für Hochgeschwindigkeitsschaltungen und Anwendungen mit sehr niedrigem Energiebedarf nutzen lassen. Die Forscher um Jimmy Davidson geben einen Temperaturbereich von rund minus 184 Grad Celsius bis etwa 482 Grad Celsius an, in dem die Nanodiamant-Schaltkreise sich nutzen lassen.

Elektronenmikroskopaufnahme der Komponenten eines Nanodiamant-Bauteils auf einer isolierenden Siliziumdioxidschicht | Quelle: Davidson Lab
Elektronenmikroskopaufnahme der Komponenten eines Nanodiamant-Bauteils auf einer isolierenden Siliziumdioxidschicht | Quelle: Davidson Lab

Nicht so teuer wie man erwarten würde

Auch wenn die Wahl von Diamant als Material zunächst teuer klingt, sollen die Kosten mit Silizium-Schaltkreisen konkurrieren können. So sollen sich aus einem Karat Diamant rund eine Milliarde der winzigen Bauteile herstellen lassen. Zudem kostet der durch Chemische Gasphasenabscheidung aus Wasserstoff und Methan hergestellte Nanodiamantfilm weniger als ein Tausendstel der gleichen Menge eines Schmuckdiamanten. Daher werden solche Filme beispielsweise auch zur Veredelung von zum Beispiel Werkzeugen und Kochgeschirr eingesetzt.

Ein weiterer Vorteil der Chemischen Gasphasenabscheidung ist, dass sie zu anderen Zwecken bereits jetzt in der Mikroelektronik verbreitet ist. Für die Nanodiamant-Schaltkreise nutzen die Forscher eine Schicht aus Siliziumdioxid als Unterlage für den Diamantfilm. Die daraus gefertigten Schaltkreise sind ein Hybrid aus Halbleiterschaltkreisen und klassischen Vakuumröhren und sollen positive Eigenschaften beider Technologien in sich vereinen.

Nanodiamant-Transistor unter dem Elektronenmikroskop | Quelle: Davidson Lab
Nanodiamant-Transistor unter dem Elektronenmikroskop | Quelle: Davidson Lab

Ein Hybrid aus Vakuumröhren und Halbleitertechnologie

So bewegen sich die Elektronen zwischen den einzelnen Nanodiamant-Komponenten nicht durch festes Material sondern durch ein Vakuum. Daraus ergeben sich verschiedene Vorteile. Der erste ist, dass die Schaltkreise viel kühler bleiben, da die Elektronen nicht durch festes Material wandern und dieses dabei aufheizen. Die hohe Übertragungseffizienz – Diamant ist ein hervorragender Elektronenemitter – erlaubt zudem den Betrieb bei relativ geringen Strömen. Bereits mit sehr wenig Energieeinsatz lassen sich daher relativ starke Elektronenstrahlen erzeugen. Die Vanderbilt-Forscher gehen davon aus, dass ihre Diamant-Schaltungen mit einem Zehntel der Energie arbeiten, die die effizientesten Siliziumschaltungen benötigen.

Durch die Elektronenübertragung im Vakuum sind die Schaltkreise auch bei hoher Strahlung einsatzfähig. Diese induziert in Siliziumschaltkreisen ungewollte Ladungen in den Leitungsbahnen, die zu Unterbrechungen im Elektronenfluss führen. Im Vakuum der Diamantschaltkreise kann hingegen keine Ladung induziert werden, die den Elektronenfluss unterbrechen könnte und das Auftreffen der energiereichen Teilchen auf die Anode oder Kathode bewirkt lediglich leichte Fluktuationen im Elektronenfluss, unterbricht ihn aber nicht.

Weng Poo Kang mit einer Vakuumkammer zum Testen der Chips | Quelle: Joe Howell, Vanderbilt University
Weng Poo Kang mit einer Vakuumkammer zum Testen der Chips | Quelle: Joe Howell, Vanderbilt University

Eine etwas größere Änderung im Vergleich zu Siliziumchips ist jedoch beim Packaging nötig. Da die Diamant-Schaltkreise im Vakuum arbeiten, kommt das gängige Packaging mit Inertgasen und Kunststoff nicht in Frage. Die Wissenschaftler haben jedoch bereits mit den metallischen Siegeln experimentiert, die in Elektronikbauteilen für das Militär eingesetzt werden. Diese seien demnach in der Lage, das nötige Vakuum über Jahrhunderte aufrecht zu erhalten.