Schulze, Erlangen / J. Anders, Stuttgart / R. Nagy, Erlangen (GD)
Elektrotechnik, Mechatronik, Physik, Werkstoffwissenschaften, Chemie, Nanotechnologie, Technikpädagogik (Bachelor ab dem 2. Semester oder Master)
17 – 29. September 2023
Einleitung:
Betrachtet man die historische Entwicklung der komplementären, Silizium-basierten MOSFET-Technologie, kurz und prägnant als „CMOS" bezeichnet, stößt man unweigerlich auf das „Mooresche Gesetz". 1965 postulierte Gordon E. Moore nach der Beobachtung der exponentiellen Wachstumsraten in der Halbleiterelektronik, dass sich im Zeitraum 1959 bis 1965 die Anzahl der Transistoren pro Chip jedes Jahr um den Faktor 4/3 erhöhte. Die Kurzform des Gesetzes besagt, dass „… gegenwärtig (1965) nichts erkennbar ist, was zu der Annahme führen müsste, dass sich an diesem Wachstum in naher Zukunft etwas ändern wird." Das Rückgrat dieser selbstgetriebenen Entwicklung bildete die stetige, laterale Skalierung des MOSFETs.
Rückblickend – vom Jahre 2023 aus – lässt sich sagen, dass dieses „Gesetz" bis jetzt seine Gültigkeit behielt, auch wenn gegenwärtig (2023) die Grenzen erreicht sind, die die weitere laterale Skalierung des MOSFETs in naher Zukunft stoppen wird. Eine Fortsetzung des „Mooreschen Gesetzes" ist dann nur noch über eine 3D-Integration von einzelnen Transistorlagen möglich.
Ein steter Begleiter dieser Skalierung und „leidiger Störfaktor" war die Quantenmechanik, die zunehmend technologisch beherrscht werden musste.
Ziel des Kurses ist es, die Grenzen der Skalierung zu erarbeiten und zu verstehen und potentielle Wege in die zukünftige, halbleiterbasierte Nanotechnologie und Nanoelektronik aufzuzeigen und zu bewerten. Als Leitspruch dient dabei Leo Esakis Prognose, die er anlässlich seines Nobelpreisvortrages 1973 für die zukünftige Nanoelektronik stellte:
„Die Nanoelektronik der Zukunft
wird eine Quantenelektronik sein!"
Themen:
- Grundlagen der Quantenphysik, Schrödingergleichung, grundlegende Potentialtopfprobleme, quantenmechanisches Tunneln und „Verschränkung"
- Die laterale Skalierung des „klassischen" MOSFETs, Quanteneffekte im skalierten MOSFET und Konzepte der 3D-Integration
- Tunnelbauelemente: Tunneldioden, Tunneltransistoren und der „Single Electron Tansistor"
- Spintronics: Spin, GMR, TMR, Spin-basierte Bauelemente und „All Spin Logic"
- Kohlenstoffelektronik: Graphen, Fullerene, Kohlenstoffnanoröhrchen, Bauelemente
- Photonik: LED, Laser, VCSEL, Waveguides, Photonische Kristalle und SPADs
- Qubits: Ionen in Ionenfallen, Elektronen in Quantenpunkten, SQUIDs, Kernspins in Molekülen und Festkörpern, Photonen
- Der „Traum" vom Quantencomputer