Mikroelektronik & Nanoelektronik
Mikroelektronik und Nanoelektronik sind Teilgebiete der Elektronik, bei denen die Nenngrößen der elektronischen Bauteile zwischen 100 und 0,1 Mikrometer (Mikroelektronik) bzw. 100 Nanometer oder weniger (Nanoelektronik) liegen. Die Speicherkapazität aktueller moderner elektronischer Geräte wurde durch eine erhebliche Erhöhung der Dichte von Mikrochips erreicht. Durch die Verkleinerung von Feldeffekttransistoren können mehr Komponenten in integrierten Schaltungen untergebracht werden, wodurch leistungsfähigere und energieeffizientere elektronische Geräte mit geringerem Gewicht und Stromverbrauch möglich werden.
Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Zahl der Transistoren, die auf einem einzigen Chip untergebracht werden können, alle zwei Jahre. Seitdem dies im Jahr 1965 prognostiziert wurde, hat die Halbleiterfertigungstechnologie dieses Tempo bei der Weiterentwicklung beibehalten und die Branche revolutioniert. Das Tempo der Dimensionsverringerung verlangsamt sich jedoch, und die größte Herausforderung bei der Herstellung elektronischer Komponenten im Submikrometerbereich ist die Gestaltung des Transistor-Gates, das den stromführenden Kanal kontrolliert. Je kleiner elektronische Bauteile sind, desto schwieriger ist ihre Herstellung. Physikalische und Quanteneffekte verändern die Eigenschaften von Materialien vom Makro- bis zum Nanomaßstab und beeinflussen die interatomaren Wechselwirkungen und quantenmechanischen Eigenschaften.
Das Aufkommen innovativer Materialien wie Nanoröhrchen aus Kohlenstoff und Bornitrid, Quantenpunkte und Graphen-Zusatzstoffe hat die Minimierung der Nano- und Mikrotechnologie vorangetrieben. Diese und andere neue Materialien können mit außerordentlicher Präzision in kleinstem Maßstab geformt und manipuliert werden. Neuartige Technologien ermöglichen die Abscheidung und Schichtung elektronischer Materialien mit präziser Dicke, sogar bis hinunter zur atomaren Ebene. Bei der Herstellung von Dünnschicht-Halbleiterbauelementen werden leitende, halbleitende und isolierende Materialien verwendet, um fortschrittliche Funktionen in großen Mengen und zu sehr niedrigen Kosten zu ermöglichen. Zu den modernen Herstellungsverfahren für die Nanoelektronik gehören die Strukturierung (Lithografie), das Ätzen, die Dünnschichtabscheidung und Dotierungstechniken.
Aufstrebende Forschungsbereiche konzentrieren sich auf neue Ansätze in der Nanotechnologie und auf quantenmechanische Effekte. In der molekularen Elektronik werden einzelne Moleküle als elektronische Komponenten verwendet, um einen elektrischen Kontakt mit großformatigen Elektroden herzustellen. In der Spintronik oder Spin-Transport-Elektronik wird die Spin-Eigenschaft von Elektronen mit magnetischen und elektrischen Feldern manipuliert, was zu einem spinpolarisierten Strom führt, der höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten und eine größere Speicherkapazität, Speicherdichte und Verarbeitungsleistung bietet, als dies mit elektrischer Ladung allein möglich ist.
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