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Graphen-Trick verspricht schnellere Chips

Neue Schutzschicht für Kupfer-Leiterbahnen steigert Leistung
Das Kohlenstoff-Material Graphen kommt als Schutzschicht zum Einsatz. (Lizenz: CC BY-NC-SA-3.0) / EMSL
Stanford - Laut einem Team unter der Leitung der Stanford University ist es möglich, Computer-Chips auf sehr einfache Art deutlich schneller zu machen.
Sie setzen dazu auf das Kohlenstoff-Material Graphen. Es kommt als Schutzschicht zum Einsatz, die Kupfer-Leiterbahnen im Inneren eines Chips vom Silizium abschirmt. Damit könnten den Forschern zufolge Chips mittelfristig um 30 Prozent schneller werden als mit dem bislang gängigen Trennmaterial.

Graphen statt Tantalnitrid

Wie als Stromkabel in Gebäuden spielt Kupfer auch in gängigen Chips eine wichtige Rolle, denn es verbindet in Form winziger Drähte die Millionen von Transistoren. «Forscher haben gewaltige Fortschritte bei allen anderen Chip-Komponenten gemacht, aber in letzter Zeit ging bei der Leistung der Drähte wenig weiter», so der Stanford-Elektrotechniker H.-S. Philip Wong.

Doch aktuelle Experimente zeigen, dass ausgerechnet ein sehr kleines Element hier grosses Potenzial hat - nämlich die isolierende Schutzschicht um das Kupfer. Bislang kommt dafür Tantalnitrid zum Einsatz, doch Graphen scheint diesem Material deutlich überlegen. Der Vorteil des Graphens hängt damit zusammen, dass die Schutzschicht um die Kupferdrähte eine andere Funktion hat als bei grossen Stromkabeln.

Kleiner und leistungsfähiger

Es geht vor allem darum, dass Kupferatome nicht in das Silizium eindringen, denn das würde die Funktion des Chips gefährden. Daher ist es möglich, dass elektrisch leitfähiges Graphen im Chip eine effiziente Doppelrolle spielt. Es trennt Kupfer und Silizium, unterstützt aber zugleich den Kupferdraht Dadurch bewegen sich Elektronen schneller - und damit Daten, die zwischen den Transistoren wandern. Der Chip kann diese also auch schneller verarbeiten.

Besonders interessant wird Graphen den Forschern zufolge, wenn Chips weiter schrumpfen. Denn die Schutzschichten ein Achtel so dick ausfallen wie jene aus Tantalnitrid. Zudem gewinnt der Hilfsleiter-Effekt bei kleineren Strukturen an Bedeutung. In aktuellen Chips wandern Elektronen nur vier bis 17 Prozent schneller durch die Drähte.

In zwei Technologie-Generationen dürfte der Geschwindigkeitsvorteil 30 Prozent erreichen, schätzen die Wissenschaftler. Sie hoffen, dass die Aussicht auf deutlich schnellere Computer weitere Forscher motiviert, sich mit dem Thema zu befassen. Denn vor einer wirklich breiten Nutzung des Ansatzes sind noch einige Hürden zu bewältigen.

(fest/pte)
publiziert: Montag, 22. Juni 2015 / 21:48 Uhr , aktualisiert: Montag, 22. Juni 2015 / 21:52 Uhr

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