Dankzij een verbeterd fabricageproces zijn onderzoekers erin geslaagd driemaal zoveel halfgeleidertransistors op elkaar te plaatsen dan tot nu toe mogelijk was.

Klein, kleiner, kleinst. In de wereld van de micro-elektronica worden chips zo veel mogelijk geminiaturiseerd om te kunnen passen in onder meer smartwatches. Maar steeds steeds verder verkleinen is lastig én ontzettend duur. Wat nu? De transistors binnen zo’n microchip stapelen natuurlijk!

Dat is wat een team van King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) dan ook heeft gedaan. Ze hebben zelfs een nieuw record gevestigd: maar liefst zes transistors op één CMOS-microchip. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Electronics.

Lees ook:

• ‘De wereld draait op microchips’
• Doorbraak: nieuw soort bio-elektrisch circuit ontwikkeld dankzij geldruppels
• Kunnen computerchips nog steeds sneller worden?

Lager in energieverbruik

CMOS staat voor complementary metal-oxide semiconductor. Oorspronkelijk werden dit soort microchips vooral gebruikt als beeldsensor in de fotografie en als een stukje geheugen in de computer.

Maar inmiddels vind je CMOS-chips in onder meer smartphones, televisies, satellieten en medische apparaten. Ze verbruiken namelijk een stuk minder energie dan andere soorten microchips en zijn daarom breder toepasbaar.

Transistors in hetzelfde vlak

Een microchip bestaat uit een groot aantal kleine transistors die op een klein stukje halfgeleidermateriaal, meestal silicium, zijn geplaatst. De transistors werken als minuscule schakelaars die de elektrische signalen in de chip kunnen in- en uitschakelen.

Die transistors werden tot nu toe vooral tezamen op hetzelfde 2D-vlak geplaatst. Maar op gegeven moment passen er niet meer op en dat beperkt de verdere ontwikkeling van de computerprestaties.

Een denkbeeldig boek

“Denk aan een pagina van een boek”, legt Thomas Anthopolous, een van de onderzoekers van KAUST uit aan KIJK. “De enige manier om meer woorden, en daarmee informatie, kwijt te kunnen is door de letters te verkleinen en/of door de bladzijde te vergroten.”

Hij en zijn team besloten alle opties voor dat denkbeeldige boek te onderzoeken. “Door lagen van transistors te stapelen kunnen we meer ‘woorden’ kwijt in ons boek. Ook is onze ‘pagina’ gemaakt van diverse materialen en die bieden verschillende functionaliteiten.”

Op kamertemperatuur

De productie van microchips vindt vaak plaats bij een temperatuur van enkele honderden graden Celsius. Ga je tegelijkertijd ook transistors stapelen dan riskeer je dat deze hitte de onderste laag van de chip beschadigt.

Het team paste het productieproces op enkele punten aan zodat de maximale temperatuur 150 graden Celsius wordt. De meeste stappen vinden zelfs op kamertemperatuur plaats.

Nog meer stapelen

Ook is het bij een geslaagde stapeling van transistors van belang dat de lagen een zo glad mogelijk oppervlak hebben én naadloos op elkaar passen. Ook hiervoor hebben Li en collega’s gezorgd. Uiteindelijk konden ze zes transistors stapelen in een CMOS-microchip en die werkten ook nog eens goed.

Dat zijn vier transistors meer dan het vorige record. De onderzoekers zijn van plan er nog meer toe te voegen. Waar de limiet ligt? “We staan pas aan het begin”, geeft Anthopolous aan. “Ons werk toont aan dat het mogelijk is veel meer geïntegreerde transistorlagen toe te voegen. We denken zelfs dat we in de nabije toekomst niet alleen transistors maar ook andere elektronische onderdelen, zoals batterijen en sensors, kunnen gaan stapelen in een microchip.”

Bronnen: Nature Electronics, KAUST via EurekAlert!

Beeld: KAUST

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!