Hintergrund 

Wie Chiphersteller von Fußgängern lernen

Neue Bauelemente für die Halbleitertechnik / Logische Operationen mit magnetischen Pulsen

Von Rainer Scharf

Die Erkenntnisse der modernen Physik haben eine technische Entwicklung ermöglicht, die unser Leben tiefgreifend verändert hat. Ganz gleich, ob wir im Internet surfen, mit dem Handy Aktienkurse abfragen oder durch Sensoren vor Autounfällen bewahrt werden, immer steht neuestes physikalisches Know-how dahinter. Doch die Physiker untersuchen in zunehmendem Maße auch Vorgänge wie Verkehrsstaus, Kursentwicklungen auf Märkten oder Produktionsabläufe in Chipfabriken, die scheinbar nichts mit der Physik zu tun haben. Welche Erfolge die physikalische Forschung erzielt hat und vor welchen Herausforderungen sie steht, ist auf einer Tagung deutlich geworden, die von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in der vergangenen Woche in Regensburg veranstaltet wurde.

In etwa zwanzig Jahren wird die herkömmliche Halbleitertechnik an ihre Grenzen stoßen. Dann werden sich die gängigen elektronischen Bauelemente nicht mehr weiter verkleinern lassen. Deshalb untersuchen schon jetzt zahlreiche Forscher die Funktionsweise neuartiger Bauelemente. So lassen sich einzelne Elektronen beispielsweise in sogenannten Quantenpunkten festhalten, wie Jörg Kotthaus von der Universität München berichtete. Schließt man einen Quantenpunkt an einen Stromkreis, fließen einzelne Elektronen durch den Quantenpunkt hindurch. Mit einer zusätzlichen Elektrode läßt sich dieser Strom "elektronengenau" steuern. Bisher arbeiten solche Einzelelektronen-Transistoren nur bei extrem tiefen Temperaturen. Erst wenn es gelingt, ihre Abmessungen auf etwa zehn Nanometer zu verringern, wird man sie auch bei Zimmertemperatur verwenden können. Die Forscher glauben, daß dies in zehn bis fünfzehn Jahren möglich sein wird.

Bringt man mehrere Elektronen auf einen Quantenpunkt, so ordnen sie sich auf ihm in ähnlicher Weise an wie die Elektronen in einem Atom. Ein Quantenpunkt wird deshalb auch als ein künstliches Atom bezeichnet. Zwei nebeneinander liegende Quantenpunkte können sich ein Elektron teilen und dadurch ein künstliches Molekül bilden. Das Elektron befindet sich dabei in einem Quantenzustand, mit dem sich die Informationsmenge von einem Quantenbit (Qubit) speichern läßt. Aus mehreren solcher künstlicher Moleküle könnte man vielleicht in fernerer Zukunft einen Quantencomputer herstellen. Gegenwärtig zerfallen die Qubits jedoch schon nach kurzer Zeit, wodurch die Quanteninformationen verlorengehen.

Elektronen tragen nicht nur eine elektrische Ladung, sie sind auch winzige Magnete. Zahlreiche Forscher entwickeln elektronische Bauelemente, die die magnetischen Eigenschaften der Elektronen ausnutzen. So haben Russell Cowburn und seine Mitarbeiter von der Universität Durham in Großbritannien Schaltkreise hergestellt, in denen sich statt elektrischer Ströme magnetische Pulse bewegen. Die Schaltkreise bestehen aus Drähten, die nur etwa hundert Nanometer dick und in eine Richtung magnetisiert sind. Wird das Ende eines solchen Drahtes einem entgegengerichteten Magnetfeld ausgesetzt, kommt es zu einem Dominoeffekt. Das Magnetfeld löst am Drahtende eine Ummagnetisierung aus, die sich durch den ganzen Draht fortpflanzt. Mit diesen magnetischen Pulsen hat man inzwischen einige zehntausend logische Operationen fehlerfrei ausgeführt.

Auch bei dem Bauelement, das Ralf Richter bei Siemens in Erlangen entwickelt hat, spielt der Magnetismus eine wichtige Rolle. In dem Bauteil durchqueren die Elektronen drei aufeinanderliegende dünne Schichten, deren oberste und unterste magnetisch sind und den Strom leiten. Dazwischen liegt eine nichtleitende Schicht, durch die die Elektronen "tunneln" müssen. Sind die beiden äußersten Schichten in gleicher Richtung magnetisiert, können die Elektronen ohne Schwierigkeit die isolierende Schicht durchdringen. Sind die äußeren Schichten jedoch entgegengesetzt magnetisiert, wird das Tunneln erschwert. Ändert man die Magnetisierungsrichtung der obersten Schicht, kann man den Elektronenstrom vergrößern oder verkleinern. Der Physiker hat in seiner Doktorarbeit sechs solcher magnetischen Stromschalter zu einem logischen Bauelement verknüpft, dessen Funktionsweise innerhalb einiger tausendstel Sekunden umprogrammiert werden kann. Das Ziel dieser Forschung ist ein Mikrochip, dessen Architektur den Anforderungen kurzfristig angepaßt werden kann.

Daß man auch Erfahrungen aus dem Verkehr auf Autobahnen und aus Fußgängerströmen in Innenstädten für die Produktion von Mikrochips nutzen kann, erläuterte Dirk Helbing von der Technischen Universität Dresden. Es ist ein bekanntes Phänomen, daß man besonders langsam vorankommt, wenn es alle besonders eilig haben. In Panik geratene Fußgänger behindern einander und blockieren dadurch die Fluchtwege. Autofahrer, die einen Stau auf der Autobahn erleichtert hinter sich lassen, beschleunigen häufig zu stark und erzeugen prompt den nächsten Stau, der gewissermaßen aus dem Nichts entsteht. Mit Computersimulationen und physikalischen Verfahren kann man inzwischen recht genau vorhersagen, unter welchen Bedingungen es zu einem Stau kommt und wie sich der Stau entwickelt. Dabei hat sich gezeigt, daß starker Verkehr wesentlich besser fließt, wenn alle etwas langsamer fahren.

Das Motto "langsamer ist schneller" hat sich nun auch bei der Produktion von Mikrochips bewährt. Die komplizierten Strukturen der Chips stellt man in zahlreichen Schritten vollautomatisch her. Dazu werden tellergroße Scheiben aus einem halbleitenden Material mit unterschiedlichen Substanzen bedampft, mit lichtempfindlichen Lacken überzogen, belichtet, in ätzende Bäder getaucht und gesäubert und abermals belichtet. Ein Greifer transportiert die Scheiben einzeln zwischen den Stationen hin und her. Wartezeiten sind dabei nicht zu vermeiden. Um einen möglichst großen Durchsatz zu erreichen, hatte man bisher die einzelnen Arbeitsschritte so schnell wie möglich absolviert. Doch jetzt konnte Dirk Helbing in Zusammenarbeit mit Infineon zeigen, daß es dabei zu Staus im Produktionsablauf gekommen ist, die den Verkehrsstaus ähnelten. Die Staus lassen sich indes vermeiden, wenn man alles etwas gemächlicher angeht. Die Produktion von Mikrochips konnte dadurch bis um 30 Prozent erhöht werden. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 20.03.2002, Nr. 67 / Seite N1

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