Von Origami inspirierte Elektronik zur Erweiterung des Mooreschen Gesetzes nutzen
Das Mooresche Gesetz bildet seit fast 60 Jahren die Grundlage in der Elektronik. Es besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip alle zwei Jahre verdoppeln wird, ohne dass die Kosten für die Herstellung des Chips wesentlich steigen. Doch diese Skalierungsregel stößt inzwischen an ihre wirtschaftlichen und physikalischen Grenzen. Das Stapeln von Transistoren bietet eine vielversprechende Lösung für die Zukunft, wobei die Transistoren dreidimensional übereinander angeordnet werden. Die derzeitigen Systeme unterliegen jedoch eigenen Beschränkungen, wie z. B. einer kurzen Haltbarkeit und einer begrenzten Anzahl von Schichten, die gestapelt werden können. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ORIGENAL entwickelten Forschende ein neues 3D-Stapelkonzept für Transistoren, das von Origami inspiriert ist – der alten japanischen Technik des Papierfaltens, mit der Kunstwerke geschaffen werden. Beim neuen Ansatz werden Transistoren genutzt, die auf einer dünnen Folie aufgebracht sind, die mit einem neuartigen Faltwerkzeug zu 3D-Strukturen gebogen und geformt werden kann. Mit diesem Verfahren können Tausende Schichten übereinander gestapelt werden, wodurch sich das Mooresche Gesetz noch um einige Jahrzehnte verlängern könnte.
Durch Origami inspirierte Elektronik
Die ursprüngliche Idee für die dichte 3D-Integration von Transistoren wurde von Elektrolytkondensatoren inspiriert, bei denen es sich im um aufgerollte Folien handelt, die eine zylindrische Endform bilden. „Das ist ein sehr einfacher, schneller und effektiver Ansatz, um von 2D zu 3D zu kommen“, kommentiert Daniel Neumaier, Lehrstuhl für Intelligente Sensorsysteme an der Bergischen Universität Wuppertal. Die Herausforderung bei der Anwendung dieses Ansatzes für elektronische Schaltungen bestand in den senkrecht zur Folie verlaufenden Verbindungen. „Beim Aufrollen besteht immer die Schwierigkeit, dass sich der Durchmesser ständig ändert, was die Verbindungen sehr erschwert“, sagt Neumaier, Projektkoordinator von ORIGENAL. Daher begann das Team, andere Faltmethoden wie Origami in Betracht zu ziehen und bewertete bestehende Maschinen und Verfahren aus verschiedenen Bereichen, darunter flexible Elektronik, Dünnschicht-Photovoltaik und Lebensmittelverpackungen, in denen dünne Folien verarbeitet werden. „Für die Verbindungen haben wir Prozesse für die Herstellung von Folien und die Ausrichtung der verschiedenen Schichten erforscht“, kommentiert Neumaier. „Dies alles zusammen ergab das Konzept des Faltwerkzeugs.“
Einen Dünnschichttransistor entwickeln
Projektintern entwickelte das Team auch eine Dünnschichttransistor-Technologie auf einem mechanisch flexiblen Foliensubstrat auf der Basis von 2D-Halbleitern. „Die entwickelte Dünnschichttransistor-Technologie wird von der Halbleiterindustrie europa- und weltweit als vielversprechende Lösung für zukünftige Logikbausteine angesehen“, so Neumaier weiter. „Da wir gut mit den wichtigsten Halbleiterunternehmen in Europa vernetzt sind, konnten wir unser Wissen und unsere Erfahrung gut weitergeben“, fügt er hinzu.
Die logische Datenverarbeitung revolutionieren
Die Technologie könnte zwar das Mooresche Gesetz bis in die ferne Zukunft verlängern, doch ihre Entwicklung und Markteinführung wird Zeit erfordern. „Die Markteinführung eines derartig bahnbrechenden Konzepts für Logikbausteine ist ein schwieriges Unterfangen und benötigt erhebliche Forschungsanstrengungen, um mit bestehenden Lösungen konkurrieren zu können“, so Neumaier. Kurzfristig zieht das Team flexible Sensorgeräte als mögliches Anwendungsszenario in Betracht, bei dem verschiedene Komponenten des Sensorsystems auf einzelnen Folien realisiert und für das endgültige System geschichtet werden. „Durch diesen Ansatz können wir für jedes Bauteil die beste verfügbare Technologie anwenden, und die technische Herausforderung für die Stapelung ist begrenzt, da hier nicht Tausende, sondern nur wenige Schichten gestapelt werden müssen“, sagt Neumaier.
Schlüsselbegriffe
ORIGENAL, Origami, Elektronik, Computer, Chip, Mooresches Gesetz, Transistoren, Faltung, logische Berechnungen
