Met een nieuwe manier van chips maken moeten transistors zuiniger worden. Een ontdekking van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf moet via een Europese samenwerking, die gisteren van start ging, leiden tot de chip van de toekomst.

Transistors verbruiken op dit moment te veel stroom. Dat is voor computers en andere apparatuur die je in het stopcontact kunt stoppen geen groot probleem, maar voor sensoren die op batterijen opereren wel. Zeker voor het toekomstige internet of things, waarin in elke woning tientallen sensoren meten en zenden, zijn er niet genoeg stopcontacten voorhanden en is het continu vervangen van batterijen een helse klus.

Eén elektron

Het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf denkt een oplossing te hebben gevonden. Onderzoekers daar vonden een manier om transistors te maken die een enkel elektron gebruiken om te communiceren, in plaats van een heel veld van elektronen. Dat scheelt aanzienlijk in het energieverbruik van de transistor en levert dus mogelijk zuiniger chips en sensoren op, die dus langer meegaan op dezelfde batterij.

Het probleem van die single electron transistors (SET) is dat ze alleen werken bij lage temperatuur. Nog problematischer is het feit dat deze transistoren niet compatibel zijn met de bestaande chipproductietechnieken (CMOS-standaard). Dat maakt de slagingskans van SETs bij voorbaat klein.

Nanopilaartje

De Europese samenwerking IONS4SET moet de SET bruikbaarder maken. Ze gebruiken hiervoor een maakmethode van het Helmholtz-Zentrum en gaan die proberen op grotere schaal toe te passen. Deze techniek gaat uit van het maken van siliciumpilaartjes van 20 nm hoog, met een isolatielaag in de pilaar. Door de isolatielaag vervolgens met geladen siliciumdeeltjes te bestoken en te verhitten, ballen de geladen deeltjes samen in de isolatielaag en ontstaat een zogenoemde kwantumdot, een puntje bestaande uit enkele honderden atomen dat zich gedraagt als het zo gewilde enkele elektron.

Het lukte de Duitse onderzoekers om met deze methode een SET te maken, maar hij werkte nog niet op kamertemperatuur. Daarvoor moet de kwantumdot namelijk niet groter zijn dan 5 nm en moet de afstand tussen de dot en de geleidende siliciumlaag buiten de isolatie maximaal 2 á 3 nm zijn. Het maken van een bruikbare SET vereist dus een bovenmenselijke precisie.

Frankrijk en Spanje

Om die nauwkeurigheid te bereiken, bundelen de Duitse onderzoekers nu hun krachten met Franse en Spaanse instituten voor microelektronica. De Spanjaarden gaan een demonstratiemodel bouwen, terwijl de Franse club kijkt naar een manier om dat op grotere schaal te produceren. Het programma, waarvan gisteren de aftrap was, duurt in totaal vier jaar — het doel is een op kamertemperatuur werkende SET. Daarnaast hopen ze een manier te vinden om de SET te laten communiceren met andere transistors in de buurt. Dat kan nu namelijk ook niet; het signaal van een SET is te zwak om nabijgelegen transistoren te bereiken.

Het samenwerkingsverband heeft dus een paar moeilijke taken voor de boeg. Als het ze lukt, komt het internet of things echter wel een stuk dichterbij; dan gaan transistoren op de huidige batterijen vele malen langer mee. Sensoren kunnen dan zonder veel moeite in een huis of mens geïntegreerd worden.

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.