Probleme der modernen Halbleitertechnik
Die Entwicklung in der Halbleitertechnik vollbringt wahre Wunder, wenn es darum geht immer mehr Funktionen in einen einzigen Chip zu integrieren. Die Herstellungsprozesse sind vor allem deshalb so teuer, weil hochintegrierte Chips sehr aufwendig herzustellen sind. Das macht sich dann bei den Preisen bemerkbar. Bei den neusten Prozessoren ist der Hersteller bei der Produktion wieder an die physikalischen Grenzen gegangen. Bis diese Grenzen überwunden sind, ist die Chip-Ausbeute gering und rechtfertigt damit den hohen Preis. Dies gilt auch für andere Chips, z. B. Speicher.
Moderne Halbleiterbauelemente haben vor allem zwei Probleme. Die Wärmeentwicklung und die Leckströme, die einen großen Stromverbrauch und eine weitere Wärmeentwicklung fördern.
Wie entsteht die Wärmeentwicklung in Halbleiterbauelemente?
Jeder stromdurchflossene Leiter oder Halbleiter erzeugt eine gewisse Abwärme, die durch den elektrischen Widerstand hervorgerufen wird. Der elektrische Widerstand wird durch Zusammenstöße zwischen Elektronen und Atomen hervorgerufen. Dazu kommt das Schalten von binären Zuständen. Durch die frequenzbedingten Ladungsverschiebungen erhöht sich der Energiebedarf und erzeugt Abwärme. Je öfter geschaltet wird, desto wärmer wird das betreffende Bauteil. Bei Prozessoren mit mehreren Gigahertz Takt ist es also kein Wunder wenn sie heiß werden.
Wie lässt sich der Wärmeentwicklung entgegenwirken?
Die zunehmende Wärmeentwicklung bei hohen Taktraten und Integrationsdichte der Transistoren in einem Chip, resultiert in kleinere Halbleiterstrukturen und damit geringen Betriebsspannungen, was auch zu geringerem Stromverbrauch führt. Vor allem bei mobilen Endgeräten ein Muss. Deshalb sind auch superkleine Handys möglich.
Chips mit kleinen Halbleiterstrukturen haben jedoch den Nachteil, das sie schwer und nur mit viel Aufwand herzustellen sind. Die dazu notwendigen Fabriken erfordern mehrjährige Planung und Aufbau, deren Betrieb aber wegen der technologischen Weiterentwicklung nach ein paar Jahren aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt wird.
Die kleinen Halbleiterstrukturen führen jedoch zu einem wesentlich größeren Problem: dem Leckstrom.
Was genau ist der Leckstrom?
In Chips werden vor allem Transistoren verwendet. Diese Transistoren haben das so genannte Gate, das bestimmt, ob der Transistor ein- oder ausgeschaltet ist. Bestandteil des Gates ist das Gate-Dielektrikum. Üblicherweise verwendet man dafür das leicht und billig herstellbare Siliziumdioxid. Die Firma Intel hat bereits erfolgreich die Dicke des Siliziumdioxid auf 1,2 Nanometer (nm) verkleinert. Das entspricht in etwa 5 Atomlagen, also 5 Atome übereinander. Mit dieser dünnen Siliziumdioxid-Schicht nehmen die elektrischen Leckströme zu, die durch das Gate fließen. Als Folge entsteht mehr Abwärme und ein größerer Stromverbrauch. Bei vielen Millionen Transistoren in einem Chip ist das ein ernst zu nehmendes Problem.
Wie lässt sich das Problem mit dem Leckstrom lösen?
Die Zeit, in der die Halbleiterstrukturen nur noch wenige Atome auseinander liegen, ist längst angebrochen. Die Herstellungstechnik hat man inzwischen gut im Griff. Was fehlt sind geeignete Materialien, die das Siliziumdioxid als gebräuchlichstes Halbleitermaterial für das Gate im Transistor ablöst.
Die Firma Intel hat hierzu die Kombination aus high-k Gate Dielektrikum und dem Metall Gate entwickelt. Diese neuen Materialien führen nach Angaben von Intel zu einer Reduzierung von Leckströmen um mehr als den Faktor 100.
Allerdings wird der Einsatz noch einige Zeit auf sich warten lassen. Die neuen Materialien werden erst ab dem Jahr 2007 in einem 45 nm Herstellungsprozess eingesetzt.
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