Wetenschappers van de KU Leuven en imec hebben met succes een nieuwe techniek ontwikkeld om microchips te isoleren. Ze maken daarbij gebruik van metaal-organische roosters, een nieuw type van materialen met gestructureerde poriën op nanoschaal. Op termijn kan deze methode bijdragen tot de ontwikkeling van nog kleinere en krachtigere chips die minder energie verbruiken. Voor de verdere ontwikkeling ontvangt het onderzoeksteam een ERC Proof of Concept grant.
Computerchips worden steeds kleiner. Een nieuw gegeven is dat niet: Gordon Moore, één van de oprichters van chipfabrikant Intel, voorspelde het al in 1965. De wet die zijn naam draagt, stelt dat het aantal transistoren op een chip, of geïntegreerde schakeling, per jaar zal verdubbelen. De prognose werd later nog bijgesteld naar 18 maanden, maar de theorie houdt wel stand. Chips worden steeds kleiner en hun rekenkracht neemt toe. Anno 2019 kan een chip meer dan een miljard transistoren tellen.
Die voortdurende verkleining brengt ook een aantal obstakels met zich mee. De schakelaars en draden zijn zo dicht opeengepakt dat er meer weerstand ontstaat en de chip meer energie verbruikt om signalen te versturen. Om de chip goed te laten functioneren is een isolerende stof nodig die de draden van elkaar scheidt en ervoor zorgt dat de elektrische signalen niet verstoord raken. Op nanometerschaal is dat echter een moeilijke opgave.
Nanoporeuze kristallen
Een studie onder leiding van KU Leuven-professor Rob Ameloot (Departement Microbiële en Moleculaire Systemen) toont aan dat een nieuwe techniek de oplossing kan bieden. “Als isolerende stof gebruiken we metaal-organische roosters (Metal-Organic Frameworks of MOF). Dat zijn materialen die bestaan uit metaalionen en organische moleculen. Het vormt een kristal dat poreus is maar tegelijkertijd stevig.”
Een onderzoeksteam van KU Leuven en imec is er voor het eerst in geslaagd om de MOF-isolatie toe te passen op elektronisch materiaal. Ze gebruiken daarvoor een industriële methode, genaamd dampfasedepositie, zegt postdoctoraal onderzoeker Mikhail Krishtab (Departement Microbiële en Moleculaire Systemen). “We plaatsen eerst een oxidelaag op het oppervlak, waarna we die laten reageren met damp van het organisch materiaal. Door die reactie zet het materiaal zich uit en worden de nanoporeuze kristallen gevormd.”
“Het grote voordeel van deze methode is dat ze bottom-up werkt”, aldus Krishtab. “We brengen eerst de oxidefilm aan en die zwelt vervolgens op tot een zeer poreus MOF-materiaal. Vergelijk het met een soufflé die uitzet in de oven en erg luchtig wordt. Het MOF-materiaal vormt een poreuze structuur en vult alle ruimtes tussen de geleiders. Zo weten we dat de isolatie compleet en homogeen is. Bij andere methodes die top-down werken, kunnen er altijd nog kleine lacunes in de isolatie zijn.”
Krachtig én zuinig
De onderzoeksgroep van Rob Ameloot ontvangt een ERC Proof of Concept grant om de techniek verder op punt te stellen, in samenwerking met het team van Silvia Armini bij imec. “Bij imec hebben we de expertise om oplossingen te ontwikkelen op siliciumschijven. We kunnen technologie dus opschalen van het lab naar de fabrikant en zo effenen we het pad voor de realisatie van een industrieel produceerbare oplossing.”
“We hebben aangetoond dat het MOF-materiaal de juiste eigenschappen heeft”, vervolgt professor Ameloot. “Nu moeten we de afwerking nog verfijnen. Het oppervlak van de kristallen is nu nog onregelmatig. Om het materiaal te integreren in een chip, moeten we het oppervlak egaliseren.”
Eens de techniek op punt staat, kan die bijdragen tot krachtige, kleine chips met minder energieverbruik. Ameloot: “Voor verschillende AI-toepassingen is er veel rekenkracht nodig. Denk bijvoorbeeld aan autonoom rijden en smart cities. Technologiebedrijven zijn voortdurend op zoek naar nieuwe oplossingen die zowel snel zijn als energiezuinig. Met ons onderzoek kunnen we een belangrijke bijdrage leveren aan een nieuwe generatie van chips.”
