Keine Grenzen für integrierte Silizium-Schaltkreise
Die Mikrochip-Verarbeitungstechnologie wird in diesem Zeitalter der Siliziumchip-Zauberei schneller und schneller erneuert. Sobald Sie ihren schicken neuen Laptop oder die neue Digitalkamera auspacken, ist die darin enthaltene Technologie bereits nicht mehr aktuell. Aber eine Lösung dieses Problems ist jetzt in Sichtweite. Die im Rahmen des mit 2,5 Millionen Euro von der EU geförderten Projekts PICMOS arbeitenden Forscher haben neue Technologien entwickelt, um Halbleitermikrolaser mit Silizium-Wellenleitern für neue, effiziente und leistungsstarke optische Verbindungen herzustellen und zu kombinieren. Herkömmlich verbinden winzige Kupferdrähte verschiedene Bereiche integrierter Schaltkreise, aber ihr Einsatz ist beschränkt, da sie bald die Verarbeitungsgeschwindigkeiten des Mikrochips begrenzen werden. Seitdem die Mikrochiptechnologie besteht, hat sich die Miniaturisierung von Mikrochips unaufhaltsam weiterentwickelt und die Anzahl der Transistoren, die in einen integrierten Schaltkreis eingepasst werden können, hat sich im Durchschnitt alle zwei Jahre verdoppelt. Mikrochips auf der Basis von Siliziumscheiben stoßen bald an ihre Grenzen, da die physikalischen Eigenschaften integrierter Silizium-Schaltkreise nahe des Nanomaßstabs anfangen, sich negativ auf ihre Leistungsfähigkeit auszuwirken. Die Geschwindigkeit des Datenverkehrs in integrierten Schaltkreisen nimmt ab, weil die Daten derzeit als Elektronen durch Kupferdrähte geschickt werden, die als Kupfer-Interconnect bezeichnet werden. "Kupferdraht-Interconnects schränken die Leistung integrierter Silizium-Schaltkreise erheblich ein", sagte Dries Van Thourhout von der Photonics Research Group der Universität Gent und dem belgischen IMEC, einem Forschungszentrum für Mikro- und Nanoelektronik, gegenüber ICT Results. "Es ist schwer, Daten über diese Verbindungen auf eine ausreichend schnelle, energieeffiziente Weise zu übertragen. Es ist ein Problem der Bandbreite und Kupfer wird für die Verarbeitungsleistung der zukünftigen Mikrochips nicht ausreichen." Der Einsatz optischer Verbindungen wäre weitaus dienlicher als Kupferverbindungen, da sie zur Übertragung von Daten Licht anstatt Elektronen verwenden. Sie können Daten bei gleichem oder geringerem Energieverbrauch auch weitaus effizienter übertragen. Anstatt durch Kupferdrähte bewegen sie sich durch Wellenleiter, die aus Silizium und nicht aus Glas bestehen. "Zahlreiche Forschungen haben gezeigt, dass man Wellenleiter für Photonen in Silizium ätzen kann", wird Dr. Van Thourhout zitiert. "Das ist großartig, weil man dieselben Materialen und Herstellungstechnologien wie für die integrierten Schaltkreise benutzen kann. Aber es gibt einen wesentlichen Nachteil: Es ist sehr schwierig, Licht aus Silizium heraus zu bekommen." Ein Teil des Projekts betraf die Entwicklung von Indiumphosphat-Lasern, die mit einem Durchmesser von lediglich 7µm geätzt wurden. Damit sind sie klein genug, um mehrere Tausend von ihnen auf einem 2cm x 2cm großen Siliziumchip zu integrieren. Diese könnten auf viele verschiedene Arten eingesetzt werden, beispielsweise in optischen Miniatursensoren wie Dehnungsdetektoren. Oder sie könnten genutzt werden, um kostengünstige, leistungsstarke optische Biosensoren zu bauen. Derzeit sind die Kosten für die Herstellung der Laser für eine Massenproduktion zu hoch, obwohl die Forschungsergebnisse ermutigend sind. Ein Folgeprojekt mit dem Namen WADIMOS, das ebenfalls von der EU gefördert wird, soll die Forschungen von PICMOS fortführen.