www.wikidata.de-de.nina.az
Als Nanoelektronik werden integrierte Schaltkreise bezeichnet deren Strukturbreiten kleinste uber Strukturierungsverfahren wie Lithographie realisierbare Abmessung bei integrierten Schaltkreisen unter 100 nm liegen 1 In diesem Bereich mussen physikalische Effekte beachtet werden die zuvor unbekannt oder vernachlassigbar waren Dies fuhrt zu neuen Formen der Bauelemente und ganz neuen Funktionsprinzipien Allerdings ist dies nur eine grobe Einordnung und der Begriff der Nanoelektronik unterliegt keiner strengen Definition oder Norm da der Ubergang zwischen Mikroelektronik und Nanoelektronik fliessend verlauft oder es wird nicht unterschieden d h alles unter dem Begriff Mikroelektronik behandelt Doppelgate von einem FinFET Inhaltsverzeichnis 1 Hintergrund 2 Eingesetzte Materialien 3 Herausforderungen und Losungen 4 Zielsetzung und Einsatzfelder 5 Physikalische Grenze amp Voraussage 6 Historische und aktuelle Entwicklung Kurzfassend 6 1 Speicherchips 6 2 Prozessoren 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks 10 EinzelnachweiseHintergrund BearbeitenDie Nanoelektronik ist eng verwandt mit der Mikroelektronik die sich mit der Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und dessen Integration zu komplexeren Baugruppen beschaftigt Dies stellte eine deutliche Verkleinerung gegenuber der zuvor genutzten Rohrenelektronik weswegen man die neue Elektronik als Mikroelektronik bezeichnet von mikros mikros dt klein bezeichnet Zugleich lagen in der Anfangsphase die Masse dieser Bauelemente sowie deren kleinster Bestandteile z B Gate Lange oder Gate Oxide Dicke im Mikrometer Bereich und wurden Ende des 20 Jahrhunderts und Anfang des 21 Jahrhunderts immer kleiner vgl Skalierung Mikroelektronik oder auch mooresches Gesetz Die grundlegende Funktionsweise und Aufbau der elektronischen Bauelemente vor allem der Transistoren blieben dabei weitgehend unverandert Gestiegene Anforderungen an die Fertigung wurden weitgehend mit denselben bzw modifizierte Herstellungsprinzipien erfullt In dieser Hinsicht wird die Nanoelektronik einfach als Mikroelektronik im Nanometerbereich interpretiert das heisst mit Strukturgrossen kleiner als 100 nm 1 Diese einfache sehr grobe Definition enthalt keinen direkten Bezug auf neue notwendige Losungsstrategien die aufgrund des steigenden Einflusses quantenmechanischer Phanomene nicht mehr bei der Funktionsweise und Aufbau der elektronischen Bauelemente als auch bei der Fertigung vernachlassigbar sind Mit diesen neuen Ansatzen ist die Nanoelektronik somit auch verbunden mit der Nutzung auch neuer Materialien z B High k Dielektrika Fertigungsprinzipien z B Immersionslithografie EUV Lithografie und Bauelementkonzepte z B FinFET und dessen Weiterentwicklungen sowie Kohlenstoff Nanorohren Feldeffekttransistor fur die Fortfuhrung der Skalierung konventionellen Konzepte im Rahmen des mooreschen Gesetzes als auch neuer Konzepte der Nanoelektronik die unter anderem mit den Begriffen More Moore More than Moore oder Beyond CMOS Moore bezeichnet werden Die Einschrankung Nanoelektronik nutzt quantenmechanische Funktionsprinzipien oder Ahnliches wird ebenfalls als nicht sinnvoll erachtet auch da dies Bauelemente einschliessen wurde die seit Jahrzehnten in Verwendung sind beispielsweise Laserdioden SQUIDs etc und ublicherweise nicht zur Nanoelektronik gezahlt werden 1 Eingesetzte Materialien BearbeitenIn diesem Artikel oder Abschnitt fehlen noch folgende wichtige Informationen Hier fehlt eigentlich jegliche Information zur Nanoelektronik Hilf der Wikipedia indem du sie recherchierst und einfugst Basismaterial fur die Mikroelektronik bildet seit mehreren Jahrzehnten der Halbleiter Silizium Verantwortlich dafur ist unter anderem die Beherrschung des Einkristall Herstellungsprozesses und vor allem die Kombination mit seinem Oxid Siliziumdioxid das als Isolatormaterial eingesetzt wird und sehr gute Haftungseigenschaften auf Silizium besitzt Die bisherige Entwicklung der Herstellungsprozesse fur Siliziumeinkristalle ermoglicht mittlerweile die grossvolumige Herstellung qualitativ hochwertiger Kristalle fur Substrate Wafer mit Durchmessern von 300 mm Herausforderungen und Losungen BearbeitenDa sich aber mit sinkenden Strukturbreiten Leckstrome und Quanteneffekte immer starker bemerkbar machen wurde es notwendig neue Konzepte wie den Y Transistor oder den FinFET Transistor zu entwickeln und neue Materialien in den Herstellungsprozess zu integrieren Nur so wurde es moglich weiterhin die Leistung elektronischer Komponenten zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu reduzieren Das Ende dieser Entwicklung wurde in den letzten Jahrzehnten bereits mehrmals prognostiziert die bestehenden Probleme insbesondere die fur unuberwindbar gehaltenen physikalischen Grenzen im Herstellungsprozess konnten aber immer wieder uberwunden werden Trotzdem werden die konventionellen Konzepte irgendwann ausgeschopft sein und es wird notwendig sein vollig neue Konzepte zu entwickeln Ein Beispiel ist die Extrem Ultraviolett Lithografie EUVL 2012 erfolgte die Strukturierung der kritischen Ebenen noch ausschliesslich mit konventioneller Fotolithografie die UV Licht mit einer Wellenlange von 193 nm Argonfluorid Excimerlaser verwendete Mithilfe von aufwendigen und damit teuren Konzepten wie der Mehrfachstrukturierung konnte die Nutzung der ArF Immersionslithografie bis hin zum 10 bzw 7 nm Technologieknoten verlangert werden Dennoch wurde die Entwicklung der EUVL vorangetrieben und kam 2019 bei ahnlichen Strukturgrossen zum Einsatz da sie nun ausreichend ausgereift fur den produktiven Einsatz war und nun endlich auch im kommerziellen Umfeld Vorteile ggu den konventioneller Methoden hatte Zielsetzung und Einsatzfelder BearbeitenZielsetzung der Nanoelektronik ist es elektronische Bauteile im Nanometerbereich zu verkleinern um letztlich Rechenkapazitaten Speicherkapazitaten die Geschwindigkeit und die Effizienz von Computerchips zu steigern Dazu sollen v a die elektronischen Eigenschaften von Nanohalbleiterstrukturen erforscht und verbessert werden Daneben gilt es den Schaltungsaufbau und die Architektur von Computerchips anwendungsbezogen zu optimieren Die Gesetze der Quantenphysik sollen fur die Elektronik nutzbar gemacht werden Weiterhin soll die Nanoelektronik bessere Techniken und Gerate fur die Elektronikfertigung liefern und durch neuartige Schaltungen und Bauelemente die logische Verknupfung Speicherung und Verarbeitung von Daten optimieren Es wird erwartet dass analog zur Entwicklung der Mikroelektronik der technische Fortschritt in nahezu allen Branchen positiv beeinflusst wird und dass im Ergebnis eine noch hohere Funktionalitat von Geraten bei geringeren Kosten vorliegen wird Kommerzielle Einsatzfelder fur die Nanoelektronik sind die Unterhaltungselektronik die Automatisierungstechnik die Medizintechnik mobile Kommunikationsgerate Computer Navigation Sensorik Autos und alle Bereiche technikorientierter Forschung in denen Messgerate hochster Prazision zum Einsatz kommen Physikalische Grenze amp Voraussage BearbeitenDer kleinste Abstand von Siliziumatomen im Einkristall betragt 0 235 nm 235 pm 2 was nur wenig grosser als der doppelte kovalente Radius von 0 222 nm ist Daraus ergibt sich dass bei einer Strukturbreite von 5 nm nur noch etwa 20 25 Siliziumatome in 110 der Diamantstruktur miteinander verbunden sind Intel plant derzeit Ende 2019 mit dem Start der Massenfertigung 1 4 nm Strukturbreiten voraussichtlich im Jahre 2029 stattfindet 3 Im nachsten Skalierungsschritt dem 1 0 nm Technologieknoten sind nur noch etwa 4 5 Siliziumatome miteinander verbunden Bei diesen Verhaltnissen wird klar dass eine Pikoelektronik lt 100 pm theoretisch nie realisiert werden kann da auch alle anderen Atome des Periodensystems einen doppelten kovalenten Radius im Bereich 130 500 pm aufweisen Somit konnen die Strukturbreiten fur integrierte Schaltkreise nicht beliebig verkleinert werden 4 Um die Leistung der Mikrochips bei vergleichbarer TDP weiter zu steigern mussen neue Konzepte erfunden werden welche nicht mehr von der materiellen Strukturgrosse abhangen Historische und aktuelle Entwicklung Kurzfassend BearbeitenSiehe auch Technologieknoten Die International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS schlagt die Standards fur Technologieknoten vor so z B auch 2017 die Knoten 2 nm 1 5 nm und 1 nm Die kleinsten Strukturbreiten integrierter Schaltkreise insbesondere von Mikroprozessoren in Serienproduktion lagen Speicherchips Bearbeiten Speicherchips haben einfachere Schaltplane Architekturen so kommt es dass diese in Grosse der Technologieknoten den Prozessoren chronologisch meistens leicht voraus sind 2002 bei 90 nm DRAM von Toshiba Weltweit erste Massenproduktion integrierter Schaltkreise unter 100 nm 5 2010 bei 24 nm NAND Flash von Toshiba 2013 bei 10 nm NAND Flash von Samsung 2017 bei 7 nm SRAM von TSMCProzessoren Bearbeiten 2003 bei 90 nm siehe z B den Sony Toshiba EE GS PlayStation 2 2008 bei 45 nm siehe z B den Intel Core 2 Quad Q9300 2013 bei 22 nm siehe z B den Intel Core i7 4960X 2014 bei 14 nm siehe z B den Intel Core M 5Y10 2017 bei 10 nm siehe z B den Qualcomm MSM8998 Snapdragon 835 2018 bei 7 nm siehe z B den Apple A12 Bionic 2020 bei 5 nm siehe z B den Apple A14 Bionic oder den Qualcomm Snapdragon 875 beide ab Juni 2020 bei TSMC in der Massenproduktion 6 2021 rechnet Samsung mit der Massenfertigung im 3 nm Verfahren dagegen TSMC erst mit 2023 rechnet 2029 plant Intel die Massenfertigung in 1 4 nm zu beginnen was Ende 2019 auf der IEEE International Electron Devices Meeting angekundigt wurde Siehe auch BearbeitenNanotechnologieLiteratur BearbeitenCharles M Lieber The incredible Shrinking Circuit In Scientific American 17 Nr 3 2001 S 58 64 Technology Forecast 2000 From Atoms to Systems A perspective on technology PricewaterhouseCoopers Technology Center 2000 ISBN 1 891865 03 X Jean Baptiste Waldner Nanocomputers amp Swarm Intelligence ISTE London 2007 ISBN 1 84704 002 0 Ulla Burchardt Thomas Feist Rene Rospel Martin Neumann Petra Sitte Hans Josef Fell Technikfolgenabschatzung Innovationsreport Wettbewerbsfahigkeit der europaischen Wirtschaft im Hinblick auf die EU Beihilfepolitik am Beispiel der Nanoelektronik PDF 1 5 MB 3 Marz 2011 Drucksache 17 4982 ISSN 0722 8333 Herausgeber Deutscher Bundestag Weblinks BearbeitenPeter Grunberg Institut Schlusseltechnologien fur Kommunikation und Datenverarbeitung Nanoelektronik und Photonik Universitat Ulm 2015 auf YouTube Nanotechnologie an der FAU Das Reinraumlabor MeinStudium 2016 auf YouTube Nanoelektronik hocheffiziente Bauelemente fur grosse Datenmengen Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf 2018 auf YouTubeEinzelnachweise Bearbeiten a b c Basierend auf der Definition von National Nanotechnology Initiative NNI USA und der Europaischen Kommission vgl Peter Russer Paolo Lugli Marc Denis Weitze Nanoelektronik Kleiner schneller besser Springer Verlag 2014 ISBN 978 3 642 35791 6 S 22 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche John Kotz Paul Treichel John Townsend Chemistry and Chemical Reactivity Cengage Learning 2008 ISBN 978 0 495 38712 1 S A 95 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Losung eines entsprechenden Rechenaufgabe Michael Eckstein Nach 10 nm Debakel Intels Zehnjahres Roadmap zum 1 4 nm Prozessknoten In elektronikpraxis vogel de 16 Dezember 2019 abgerufen am 17 Juni 2020 Jens D Billerbeck Atome lassen sich nicht verkleinern In https www ingenieur de 14 April 2006 abgerufen am 17 Juni 2020 Toshiba and Sony Make Major Advances in Semiconductor Process Technologies In https www toshiba co jp Toshiba Corporation 3 Dezember 2002 abgerufen am 1 Juli 2020 englisch Hannes Brecher TSMC beginnt mit der Produktion von 5 nm Chips In https www notebookcheck com 20 Juni 2020 abgerufen am 23 Juni 2020 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Nanoelektronik amp oldid 234034884