Von Bildsensoren bis zur DNS-Analyse

Während sich der erste Teil der Berichterstattung zur IEDM 2006 auf die künftige 45-nm-Chipgenerationen sowie auf neue Speicherbausteine konzentrierte [19], räumt nun der zweite Teil den anderen Halbleitertechniken Platz ein. Dazu gehören Bildsensoren, die Hochfrequenz- und die Leistungselektronik, aber auch die MEMS und NEMS (Nano-Elektromechanische Systeme) sowie die Polymerelektronik und nanoelektronische Bausteine.

Während sich der erste Teil der Berichterstattung zur IEDM 2006 auf die künftige 45-nm-Chipgenerationen sowie auf neue Speicherbausteine konzentrierte [19], räumt nun der zweite Teil den anderen Halbleitertechniken Platz ein. Dazu gehören Bildsensoren, die Hochfrequenz- und die Leistungselektronik, aber auch die MEMS und NEMS (Nano-Elektromechanische Systeme) sowie die Polymerelektronik und nanoelektronische Bausteine.

Seit ein paar Jahren haben auch exotische Halbleiterthemen auf dem IEDM ihren eigenen Platz. Ein Drittel aller Konferenz-Sessions im Hilton-Hotel von San Francisco hat sich diesen Spezialthemen der Halbleitertechnik gewidmet.

Bildsensoren finden großes Interesse

MEMS und NEMS: Zwitter zwischen Elektronik und Mikromechanik

MEMS-basierte Speicher gelten als interessante Kandidaten, um nichtflüchtige Speicher mit hoher Speicherdichte zu realisieren. Speicherkapazitäten jenseits von 1 Terabit pro Quadratzoll (ca. 160 Mbit/cm2) scheinen realistisch zu sein. Einen ersten Schritt in diese Richtung unternahm vor zwei Jahren das IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich mit seinem „Millipede“-Speicher (Bild 3).

Jetzt haben STM und die Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) eine 1-Transistor-MEMS-Speicherzelle vorgeschlagen, die einerseits die hohe CMOS-Integrationsdichte erreicht, andererseits aber einen Zugewinn an Arbeitsgeschwindigkeit und geringeren Energieverbrauch verspricht. Man umgeht mit einem MEMS die ärgerlichen Gate-Leckströme bei konventionellen DRAMs. Die Überlegungen gehen von einem 65-nm-Design aus und wurden zunächst auf bis zu 100 000 Speicherzyklen untersucht. Die erreichte „mechanische Hysteresekurve“ zeigt Bild 4.

Forscher des CSIS (Barcelona), der EPFL (Lausanne) und von Süss Micro- Tec Lithography (Garching bei München) betreiben 2000 nano-elektromechanische Resonatoren parallel. Sie sind in einem CMOS-Schaltkreis integriert und weisen in zwei Richtungen: Zum einen könnte man damit hochempfindliche Sensoren bauen und zum anderen Bausteine für Hochfrequenz- Systeme in der Telekommunikation entwickeln. Resonanzfrequenzen im MHz-Bereich bei Gütefaktoren von 8000 (im Vakuum) sind durchaus realistisch. Bild 5 zeigt die Schritte, die vom Si-Wafer (Durchmesser 100 mm) bis zum eigentlichen Resonator führen.

Besonderes Interesse fand eine gemeinsame Entwicklung von Motorola und der Stanford University: Die nach eigenen Angaben erste Demonstration einer Wechselstromverstärkung von 11,5 dB aus einem Carbon-Nanotube- Transistor (CNT – aus Kohlenstoff- Nanoröhrchen bestehender Transistor) wurde bei 560 kHz beobachtet (Bild 9). Nach Angaben der Forscher ist diese Frequenz aber bedingt durch die messtechnischen Grenzen der Geräte.

Die intrinsischen Grenzen des Nanobausteins selbst wurden durch Simulation viel höher angesetzt, im Bereich zwischen 30 und 50 GHz. Die Kombination von biologischer Forschung und Nanometerstrukturen auf den Chips könnte zu einer völligen Neudefinition bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten führen.

Die Universität von Illinois und das NJNC in New Jersey sind der Frage nachgegangen, wo hier Erwartungen und realistische Chancen zusammentreffen. Den Forschern schwebt ein Siliziumchip vor, der einen Nanokanal auf einem MOS-Kondensator enthält. In diesem Kanal möchte man mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung die elektrischen Aktivitäten eines einzelnen DNA-Moleküls untersuchen. Das Kernproblem liegt darin, dass man eine minimale Kanalbreite unter 1,5 nm braucht – besser noch kleiner. Die biologischen und technischen Grenzen wurden von den Autoren ausgelotet.

Das Royal Institute of Technology in Stockholm zeigte aber schon einen DNS-Biosensor. Er arbeitet mit zwei Kondensatoren: einem MOS-Kondensator (für die Erfassung der elektrischen Ladung und der Polarität des Biomoleküls) und einem Doppelschicht- Kondensator, der eine höhere Empfindlichkeit hat und mehr über die Oberflächenprozesse auf dem Molekül aussagen kann. Damit hat man ausreichend Möglichkeiten in der Hand, auch biologische Reaktionen in die Diagnose einzubeziehen.

Oftmals sind die Trends hinter den Präsentationen interessant. Dazu wurden alle an den Referaten beteiligten Unternehmen und Institutionen erfasst und nicht nur diejenigen, die die Redner stellten. In 230 Referaten fanden sich fast 360 Autoren, die sich wie folgt verteilten (bei kontinentübergreifenden Autorenteams wurde jeweils die Muttergesellschaft mit ihrem Sitz bewertet):

Aus den USA stammten 118 Autoren, sie führten damit die Liste an. Europa lag an zweiter Stelle mit 96 Autoren, gefolgt von Japan mit 65. Fasst man einmal Taiwan (25), Südkorea (23) und Singapur (28) zu den „Tigerstaaten“ zusammen, dann kamen die auf beachtliche 76 Autoren – eine starke Entwicklung in den vergangenen Jahren.

Die meisten Autoren stellte in diesem Jahr IBM mit 20, gefolgt von Samsung mit 19. Auf dem dritten Platz landete zu aller Überraschung das IMEC in Belgien mit 16 Autoren, Toshiba und NEC folgten mit je 11. Jeweils 10 Autoren stellten Intel, ST und TI.

Wertet man die Herkunft der Autoren einmal anders aus, nämlich nach Industrie und nach akademischer oder institutionaler Forschung, gibt es interessante Hinweise auf die Herkunft der Informationen. Am deutlichsten industrieorientiert ist stets Japan: 78 % der Referenten kamen aus der Industrie. Für Südkorea ergibt sich das gleiche Bild, während in Taiwan fast ein Gleichgewicht herrscht: 55 % der Autoren kamen aus der Industrie. Dies trifft mit geringer Abweichung (52 %) auch für die USA zu. Ganz anders die Relation für Europa: Hier stellte die Industrie nur 35 % der Autoren, während 65 % aus akademischen Forschungsbereichen kamen.