Schnellere Rechner und neue Konzepte wie Quantencomputer, künstliche Intelligenz (KI), photonisches und neuromorphisches Computing erfordern Technologien und Prozesse, mit denen die Strukturierung von Komponenten im Bereich weniger Nanometer möglich ist.

Die Dortmunder RAITH Group als weltweiter Markt- und Technologieführer von maskenlosen Nanofabrikationssystemen und Charakterisierungslösungen befähigt weltweit Kunden in Forschung und Industrie, Strukturierungen im Nanometerbereich vorzunehmen.

Lange Zeit war die Zukunft der Computertechnologie so vorhersehbar, als wäre sie mit einem Computer selbst berechnet worden. Moore's Law, benannt nach dem Mitbegründer von Intel, Gordon Moore, sagte über Jahrzehnte erstaunlich präzise voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt, wodurch die Rechenleistung kontinuierlich exponentiell gesteigert wurde. Der Weg für diese Verdoppelung war die stetige Verkleinerung von Transistoren und Schaltungen, was unweigerlich von der Mikrotechnologie zur Nanotechnologie führte. Dieser Weg endet jedoch für herkömmliche Siliziumtransistoren an den physikalischen Grenzen etwas oberhalb der atomaren Auflösung im Bereich einiger Nanometer, da quantenmechanische Effekte, wie Tunnel, die Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz durch Leckströme beeinträchtigen. Moore’s Law gilt heute so nicht mehr.

Ein Ansatz für neue, leistungsstärkere Rechner besteht aktuell darin, die Planartechnologie in die dritte Dimension zu entwickeln: Statt nur in zwei Dimensionen auf einem Chip zu arbeiten, werden Transistoren und Schaltkreise in vertikaler Richtung gestapelt, was die Integration und Leistungsfähigkeit erhöht, ohne die Transistordichte weiter zu steigern. Ein weiterer Ansatz auf der nächsthöheren Ebene ist die Integration verschiedener Technologien und Funktionen auf einem einzigen Chip, wie zum Beispiel Prozessoren und Speicher. Am unteren Ende wird die Nanotechnologie eingesetzt, um neuartige Feld-Effekt-Transistoren mit einzigartigen Eigenschaften zu entwickeln. Beispielweise werden Kohlenstoffnanoröhrchen oder Halbleiternanodrähte mit Durchmessern im Bereich von 10 nm als Kanal eingesetzt, um das Schalten der Transistoren mit weniger Leistung durch umschließende Gates und die besonderen Materialeigenschaften zu realisieren. Im Bereich Forschung und Entwicklung stellt man hierzu erst die Nanoröhrchen her, lokalisiert sie und strukturiert den restlichen Transistor mit Methoden der Nanostrukturierung, wie der Elektronenstrahllithografie, um sie herum.

Dieselben Methoden der Nanotechnologie sind erforderlich, wenn Komponenten für die Quantentechnologie entwickelt werden. Da Quanteneffekte erst bei einzelnen Atomen oder Elektronen auftreten, führt für die meisten Ansätze zur Realisierung von Qubits kein Weg an der präzisen Herstellung von Nanostrukturen vorbei. Die Ansätze sind dabei vielfältig: Die Schaltkreise von supraleitenden Quantencomputern, deren Entwicklung von großen Unternehmen wie IBM und Alphabet vorangetrieben wird, werden genauso mit der flexiblen, hochaufgelösten Elektronstrahllithografie, zum Beispiel von RAITH, strukturiert, wie Schaltungen zur Steuerung einzelner Elektronenspins oder Wellenleiter in photonischen Quantencomputern, die derzeit von Forschungseinrichtungen und Universitäten weltweit entwickelt werden. Die Nanostrukturierung wird hierbei für Fertigung zahlreicher Komponenten benötigt, beispielsweise bei photonischen Quantencomputern für die Quantengatter[1] genauso wie für die Einzelphotonquellen und die Einzelphotondetektoren. Das Ziel ist hierbei nicht konventionelle Rechner zu ersetzen, sondern durch Quantencomputer zu ergänzen, die bestimmte, aktuell nicht lösbare Aufgaben durch paralleles Rechnen auf Quantenebene berechnen, zum Beispiel bei der Entwicklung neuer Medikamente.

Weitere wesentliche Ergänzungen erfolgen derzeit im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) und maschinellen Lernens. Da neuronale Netze, wie das menschliche Gehirn, Vorteile bei Aufgaben, wie der Mustererkennung haben, besteht ein Lösungsansatz in der Entwicklung des sogenannten Neuromorphic Computing, bei dem die selbstorganisierende und selbstlernende Natur des Gehirns nachgebildet werden soll. Forscher der Universität Münster setzen hier auf integrierte photonische Schaltkreise. Hierbei werden Phase Change Materials (PCM) als sogenannte „photonische Speicherzellen“ eingesetzt, in denen die Änderung der Amplitude oder der Phase des Lichts im Schaltkreis optisch oder elektrisch „programmiert“ werden kann. Die Wellenleiter der Schaltkreise und weitere Elemente wie Ringresonatoren als optische Filter werden auch hierbei mit Elektronenstrahllithografiesystemen von RAITH geschrieben. Darüber hinaus setzen die Forscher die lokale Implantation von Si Ionen ein, um durch Brechzahländerungen die Resonanzwellenlängen in den photonischen Schaltkreisen abzustimmen[2].

Grundlegendere physikalische Untersuchungen zu möglicher Hardware für neuromorphisches Computing finden zurzeit an der TU Dortmund statt. Für das sogenannte Reservoir Computing benötigt man ein hochdimensionales, dynamisches System, auf das Signale für die spätere Erkennung im neuronalen Netzwerk gemappt werden können. Die Forscher entwickeln hierzu ein physikalisches System, in dem gemischte Zustände aus magnetischen Zuständen und Kristallgitterschwingungen durch Laser-

pulse charakteristisch angeregt werden können. Die Kopplung zwischen Licht und Anregungen im Festkörper erfolgt über ein Nanogitter mit 200 nm Periode, das mit Ga+ Ionen direkt strukturiert wird[3].

Die RAITH Group mit Hauptsitz in Dortmund, Deutschland, bietet ihren Kunden ein einzigartiges Produktportfolio an Nanofabrikationssystemen und -lösungen aller drei Strahlen-Technologien: Elektronen-, Ionen- und Laserstrahlen. Dieses Portfolio umfasst den gesamten Bereich von µm-Strukturen bis hin zur Fertigung von kritischen Bauelementen im Sub-10-nm-Bereich. Prozesssteuerungs- und nanoanalytische Systemlösungen zur Charakterisierung kleinster Strukturen runden das Angebot ab. Auch die mehr als 50-jährige Erfahrung sowie globale Vertriebs- und Servicestrukturen zeichnen das Unternehmen aus, unterstützt durch engagierte Experten in RAITHs internationalen Anwendungs- und Entwicklungszentren.

RAITH ermöglicht Kunden in Industrie und Wissenschaft, Nano-Innovation und -produktion allumfassend zu beschleunigen. Durch die Technologie zum Erstellen, Modifizieren, Charakterisieren und Visualisieren kleinster Strukturen wird die digitale Zukunft weltweit vorangetrieben.

Referenzen
[1] M. Poot, Photonic circuits for on-chip quantum optics, Raith Application Note, https://raith.com/downloads/application-notes/
[2] A. Varri et al., Scalable Non-Volatile Tuning of Photonic Computational Memories by Automated Silicon Ion Implantation (2024), in: Advanced Materials, 36:8(2310596)
[3] D. D. Yaremkevich et al., On-chip phonon-magnon reservoir for neuromorphic computing (2023), in: Nature Communications, 14:1(8296)

RAITH Group

Technologische Basis

• Elektronen-, Ionen, und Laserstahlsysteme
• Präzise Positionierung auf Nanometerebene
• Vakuumtechnologie

Innovation

• Entwicklung von Elektronen- und Ionensäulen und -quellen
• Anwendungsoptimierte Nanostrukturierung mit Auflösung unter 10 nm
• Single- und Multibeamlaserlithografie mit Substratgrößen bis zu 1,5 m
• Speziallösungen für Prozesskontrolle und Charakterisierung von Oberflächen

Primäre Anwendungsfelder

• Halbleiter
• Quantentechnologie
• Optische Telekommunikation

Impact

• Konnektivität / schneller Datentransfer
• Augmented / Virtual Reality
• Grüne Energie

Abbildung 1: InSb-Nanodrähte für topologische Quantencomputer, Sasa Gazibegovic, Technische Universität Delft
Abbildung 2: Photonisches CNOT Quantengatter, Menno Poot, Yale University, New Haven