Nanotechnologie und Nanoprozesse

Die heutige Entwicklung elektronischer Bauelemente stellt ein Rennen um immer schmalere Strukturdimensionen dar. Im Bewusstsein vieler Menschen befinden wir uns mitten im Zeitalter der Mikrotechnologie, ein Ausdruck, der von den Dimensionen (1 μm) der aktiven Bereiche eines Bauelementes abgeleitet ist, z. B. der Kanallänge eines Feldeffekttransistors oder der Dicke des Gate-Dielektrikums. Jedoch gibt es mehr und mehr Anzeichen dafür, dass diese Ära langsam durch eine andere ersetzt wird, durch die der Nanotechnologie. Der Ausdruck „Nanotechnologie“ ist wieder von den typischen geometrischen Dimensionen eines elektronischen Bauelementes abgeleitet, nämlich vom Nanometer, der ein Milliardstel (10⁻⁹) eines Meters darstellt. 30.000 nm sind ungefähr gleich der Dicke eines menschlichen Haares. Es ist durchaus wert, diese Zahl mit den Ausmaßen der frühen elektrischen Maschinen zu vergleichen, sagen wir mit einem Motor oder einem Telefon mit den typischen Maßen von 10 cm. Ein Beispiel dieser Entwicklung ist in Abb. 1.1 zu sehen.

Die klassische Materialwissenschaft ist die Physik, die sich mit zwei Extremen beschäftigt: Auf der einen Seite gibt es die Atom- oder Molekülphysik. Das System besteht aus einem oder mehreren Atomen. Aufgrund dieser begrenzten Zahl erscheinen scharf definierte diskrete Energieniveaus. Auf der anderen Seite steht die Physik des Festkörpers. Die Annahme eines unendlich ausgedehnten Körpers mit hoher Translationssymmetrie macht ihn ebenfalls einer mathematischen Behandlung zugänglich. Die Herstellung von Clustern (Moleküle mit 10 bis 10.000 Atomen) eröffnet ein neues Feld der Physik, nämlich die Beobachtung der Übergänge zwischen den beiden Extremzuständen. Natürlich müssen den experimentellen Untersuchungen quantenmechanische Beschreibungen folgen, die ihrerseits wieder neue Werkzeuge bedingen.

Die wahrscheinlich am besten bekannte Sorte von Nanostrukturen sind die Nanodefekte. Sie sind seit langem bekannt und Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Einige von ihnen sind in Abb. 3.1 zu sehen.

Auf den ersten Blick ist eine Nanopartikel definiert als eine Kugel oder kugelähnliches Molekül, das aus wenigen 10 bis einigen 10.000 Atomen besteht, die miteinander durch zwischenatomare Kräfte verbunden sind, sonst aber mit wenig oder keiner Beziehung zu einem Festkörper. Dieses intuitive Konzept ist jedoch in vielen Fällen nicht erfüllt. Ein erstes Beispiel sind nanokristalline Si-Partikel, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind. Andere Beispiele sind Nanopartikel, die zu Volumkeramik oder Deckschichten verdichtet sind. Beachten Sie bitte, dass sich abgeschiedene Nanopartikelschichten von einheitlichen Schichten speziell durch die Anwesenheit von Korngrenzen unterscheiden, was zu unterschiedlichem elektrischen und optischen Verhalten führt.

Wir folgen in diesem Abschnitt hauptsächlich der Arbeit von Grabosch [1], in der wesentliche Punkte der Materialdarstellung und seiner Analyse durchgeführt wurden.

Die Übersicht zu den technologischen Verfahren der Nanotechnolgie beinhaltet die Nanopolitur, die Trockenätztechniken und Lithographieverfahren, fokussierte Ionenstrahltechniken, Nano-Imprint- und Rastermikroskopie. Anhand von Beispielen werden die jeweiligen Techniken erläutert und ihre Einsatzgebiete vorgestellt.

Die Reduktion der Dimensionen in elektronischen Bauelementen führt einerseits zu leistungsfähigeren Transistoren, bewirkt andererseits aber auch statistische Fluktuationen in den Transistorparametern wie der Schwellenspannung oder der Steilheit. Zusätzlich treten bei tiefen Temperaturen neue Effekte auf, die noch nicht vollständig erklärt werden können. Die Auswirkung der Nanoskalierung auf Transistoren wird anhand gemessener Transistorparameter und Kennlinien diskutiert.

Eine strenge Definition des Begriffs „nanoelektronisches Bauelement“ existiert bis heute nicht. Im Allgemeinen versteht man darunter jedoch elektronische Bauelemente, bei denen zumindest in einer örtlichen Dimension die Abmessungen einer „entscheidenden“ Komponente im Nanometerbereich liegen. Die Relativität dieser Definition kann man zum Beispiel anhand der Weiterentwicklung der Silizium-MOS-Technologie erläutern. Seit den frühen Anfängen dieser Technologie hat die Schichtdicke des Gate-Isolators Abmessungen im Nanometerbereich (1980 ca. 100 nm, heutzutage unter 3 nm). Vom MOS-Transistor als nanoelektronisches Bauelement spricht man aber erst, seitdem die Kanallänge Abmessungen unter 100 nm besitzt. Im Falle des Quantenpunktlasers überschreiten die Bauelementdimensionen in allen drei Raumrichtungen die Nanometerskala. Allerdings haben in diesem Fall die in die aktive Schicht eingebetteten Quantenpunkte, in welchen der für das Funktionieren des Lasers entscheidende Prozess der strahlenden Rekombination stattfindet, Nanometerdimensionen. Unter Anwendung der oben angegebenen Definition sind im Prinzip auch alle Quanteneffekt-Bauelemente als nanoelektronische Bauelemente zu bezeichnen. Im vorliegenden Kapitel beschränken wir uns hingegen auf elektronische Bauelemente, welche auf Nanoteilchen als aktives Material basiert sind. Während bei Drucklegung der ersten Ausgabe dieses Buches im Jahre 2003 die „elektronische Nanowelt“ noch gut überschaubar war, hat die Vielfalt auf diesem Gebiet in den letzten 12 Jahren zu sehr zugenommen, um hier komplett dargestellt werden zu können. Deshalb werden wir uns hier auf die Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in elektronischen Bauelementen beschränken, und nicht die ganze Vielfalt der Bauelemente, basierend auf anderen Nanomaterialien, z. B. Graphen, Fulleren, Silizium-Nanodrähten, MoS₂, etc. darzustellen.