Kohlenstoff-Nanoröhrchen – Bausteine für die Leistungselektronik von morgen Dicke Ströme durch dünne Röhrchen

Winzige Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten sich als Nachfolger von Silizium in der Halbleiterindustrie erweisen. Sie verfügen über physikalische Eigenschaften, die sie für den Einsatz in der Mikroelektronik geradezu prädestinieren. Für Elektronik, Robotik, Sensorik und Prozesstechnik sind die Nanoröhrchen gerade deswegen interessant, weil sie bessere Materialeigenschaften zur Verfügung stellen und sich durch Selbstorganisation herstellen lassen. Denkbar sind der Einsatz bei der Chip-Metallisierung (z.B. für Vias), aber auch Alternativen für Displays, komplette elektronische Schaltungen oder diskrete Halbleiter-Bauelemente wie die kürzlich vorgestellten ersten Prototypen von Leistungstransistoren.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen – Bausteine für die Leistungselektronik von morgen

Winzige Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten sich als Nachfolger von Silizium in der Halbleiterindustrie erweisen. Sie verfügen über physikalische Eigenschaften, die sie für den Einsatz in der Mikroelektronik geradezu prädestinieren. Für Elektronik, Robotik, Sensorik und Prozesstechnik sind die Nanoröhrchen gerade deswegen interessant, weil sie bessere Materialeigenschaften zur Verfügung stellen und sich durch Selbstorganisation herstellen lassen. Denkbar sind der Einsatz bei der Chip-Metallisierung (z.B. für Vias), aber auch Alternativen für Displays, komplette elektronische Schaltungen oder diskrete Halbleiter-Bauelemente wie die kürzlich vorgestellten ersten Prototypen von Leistungstransistoren.

Elementarer Kohlenstoff ist ein billiges und häufig vorkommendes Material. 1985 entdeckten Sir Harold W. Kroto, Richard E. Smalley und Robert F. Curl die so genannten Fullerene, eine neue Modifikation des Kohlenstoffs (neben Graphit und Diamant). Die Moleküle sind in der Form eines Fußballs aus Sechs- oder Fünfecken aufgebaut. Die drei Forscher erhielten dafür 1996 den Nobelpreis für Chemie. Die eigentliche Geburtsstunde der Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nanotubes oder kurz CNTs) war 1991: Sumio Iijima fand bei Experimenten mit seinem Fulleren-Generator unter bestimmten Reaktionsbedingungen im Ruß röhrenartige Gebilde mit nur wenigen 10 nm Durchmesser, aber einigen Mikrometern Länge. Bei diesen Röhrchen sind die Kohlenstoffatome wie ein Gerüst von Sechsecken zu langgestreckten Hohlzylindern geformt. Trotz ihrer Winzigkeit sind sie ausgesprochen robust, elastisch und ermüdungsfrei. Es sind zudem besonders ihre elektrischen Eigenschaften, die die Elektronik revolutionieren könnten, denn sie haben bei kleinstem Durchmesser eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Darüber hinaus sind sie je nach Chiralität (Richtung und Versatz, nach der man sich eine Graphitebene zu einem Nanoröhrchen aufgerollt denken kann) entweder metallisch – und damit elektrisch leitend – oder halbleitend. Röhrchen, deren Differenz der chiralen Indizes (n – m) Null oder ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist, sind metallisch, alle anderen halbleitend. Bei einer rein statistischen Mischung erwartet man etwa ein Drittel metallische und zwei Drittel halbleitende CNTs. Damit können sie folglich sowohl als elektronische Bauteile (Halb-leiter) als auch als Leiter eingesetzt werden.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind einzigartig aufgrund ihrer Größe, ihrer Form und ihrer außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften. Sie können bis zu mehreren Millimetern lang werden und weisen einen Durchmesser von 0,4 bis zu 100 nm auf, je nachdem wie viele der Röhrchen ineinander stecken. Unter 0,4 nm Durchmesser sind die Röhrchen allerdings äußerst instabil und für die folgende Betrachtung nicht relevant. Man unterscheidet prinzipiell zwischen Single-Walled-CNTs (SWCNTs), also einwandigen Nanoröhrchen, und Multi-Walled-CNTs (MWCNTs), den mehrwandigen Nanoröhrchen (Bild 1). Der Durchmesser von SWCNTs liegt zwischen 0,4 und 5 nm. Allerdings gibt es auch dickere SWCNTs, die aber für Anwendungen in der Mikroelektronik weniger interessant sind. Im Vergleich dazu befindet sich die klassische Silizium-Prozesstechnik gerade im Übergang zu Strukturen mit kleinsten nominellen Abmessungen von 90 nm.

Es gibt grundsätzlich drei Wege, Nanoröhrchen „wachsen“ zu lassen. Der erste Ansatz war ein Lichtbogenentladungsverfahren. Danach haben Forscher herausgefunden, dass man durch Hinzufügen eines Metalls wie beispielsweise Kobalt zur Graphitelektrode die Ausbeute verbessern kann. Die zweite Methode besteht im Laserverdampfen von Graphit mit zusätzlichem Katalysator. Die so entstehenden Tubes haben die Tendenz, sich in Bündeln – so genannten Ropes – anzuordnen. Der erstgenannte Prozess hat eine Ausbeute von ungefähr 20 % an Nanotube-Material, wogegen man bei dem zweiten Prozess schon auf etwa 80 % Ausbeute kommt. Die dritte Art, Nanotubes zu erzeugen, besteht in einer katalytischen Zersetzung von kohlenstoffhaltigem Gas in einem Ofen (Chemical Vapor Deposition – CVD), was eine nahezu 100-prozentige Ausbeute ohne unerwünschte Beiprodukte ermöglicht.

Nanotubes können – wie erwähnt – sowohl leitend als auch halbleitend sein, was wiederum von der Geometrie der Nanoröhrchen abhängig ist. Ob SWCNTs metallisch oder halbleitend sind, hängt also nicht primär von einer Dotierung ab, sondern vom Durchmesser und der Chiralität (griech. „Händigkeit“) des Nanoröhrchens. Eine weitere Eigenschaft der halbleitenden Carbon-Nanotubes ist, dass die Energielücke bei ca. 1 eV liegt und wiederum über den Durchmesser definiert werden kann: Je größer der Durchmesser ist, desto geringer wird die Energielücke. Prinzipiell erlaubt dies, CNTs mit konfektionierter Bandlücke zwischen etwa 0,1 eV und 1 eV herzustellen. Zu den weiteren bemerkenswerten Eigenschaften der CNTs zählt ihre mechanische Zugfestigkeit, die mit 40 GPa etwa 20-mal größer ist als die von Stahl.

Außerordentlich hohe Stromleitfähigkeit

Soweit zu den Grundlagen der Nanotubes; was macht sie nun für die Halbleiterindustrie so attraktiv? Neben den halbleitenden Eigenschaften ist der wichtigste Vorteil die nahezu ideale Stromleitfähigkeit, die fast Supraleitern nahekommt. Hierbei kommt der ballistische Ladungstransport in den Nano-röhrchen zum Tragen, was gleichbedeutend damit ist, dass bei den Nanotubes der Widerstand nahezu längenunabhängig ist, während ja der elektrische Widerstand in „klassischen“ Leitern direkt proportional zur Leiterlänge ist. Nanotubes weisen ein eindimensionales Verhalten mit einem dementsprechend verringerten Phasenraum für mögliche elektronische Zustände auf, was die Streuwahrscheinlichkeit stark reduziert und wodurch sich die hohe mittlere freie Weglänge der Elektronen von ca. 10 µm ergibt. Quantenmechanische Effekte führen zu einer Leitfähigkeit von G0 = 155 µS pro Röhre, die sich durch Parallelschaltung noch weiter erhöhen lässt. Diese Eigenschaft der CNTs ermöglicht Stromdichten bis zu 1010 A/cm2. Dies ist ein enorm hoher Wert, wenn man bedenkt, dass Kupfer bei einer Stromdichte von etwa 107 A/cm2 bereits zu schmelzen beginnt. Diese Eigenschaft ist insofern wichtig, da Experten davon ausgehen, dass hochleistungsfähige Prozessoren in etwa zehn Jahren eine Stromdichte von 4 x 106 A/cm2 bewältigen können müssen. Mit konventionellen Stromleitern ist dies kaum realisierbar, jedenfalls nicht ohne extreme Wärmeentwicklung und deren entsprechende Ableitung. Hohe Wärme stellt für die Nanotubes kein Problem dar, weil sie sich auch noch durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen, die sogar die Spitzenwerte von Diamanten (Material mit der bislang bekannten höchsten Wärmeleitfähigkeit von ca. 3000 W/Km) übertrifft.

Gezieltes Aufwachsen entscheidend für Kommerzialisierung

Infineon Technologies konnte Mitte 2002 mitteilen, dass es dem Unternehmen gelungen ist, Nanoröhrchen gezielt an vordefinierten Stellen auf Silizium-Wafern aufwachsen zu lassen. Damit bestand erstmals die Möglichkeit, die herausragenden technischen Eigenschaften der Carbon-Nanotubes kostengünstig in bekannte Verfahren zur Chip-Entwicklung sowie zur Halbleiterfertigung einzubringen.

Mit Hilfe eines modifizierten CVD-Verfahrens und eines Katalysators konnte man in einem parallelen Batch-Prozess erstmals CNTs auf 150-mm-Wafern aufwachsen lassen, wobei das Verfahren prinzipiell auch auf größere Wafer anwendbar ist. Das lässt sich durchaus als Durchbruch betrachten, denn das gezielte Wachstum von CNTs auf Wafer-Ebene war bis dato noch ein großes Problem. Sämtliche Prozessparameter wie Temperatur und verwendete Materialien sind mit herkömmlichen Prozessen in der Halbleiterherstellung vereinbar und die erzielten Resultate reproduzierbar. Die Strukturen sind mit ausreichender Homogenität über den ganzen Wafer hinweg an den vorbestimmten Stellen gewachsen. Der Vorgang des Aufwachsens dauert dabei nur wenige Minuten.