Onderzoekers van de KU Leuven en imec hebben met succes een nieuwe techniek ontwikkeld om microchips te isoleren. De techniek maakt gebruik van metaal-organische raamwerken, een nieuw type materiaal bestaande uit gestructureerde nanoporiën. Op de lange termijn, deze methode kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van nog kleinere en krachtigere chips die minder energie verbruiken. Het team heeft een ERC Proof of Concept-beurs ontvangen om hun onderzoek voort te zetten.

Computerchips worden steeds kleiner. Dat is niet nieuw:Gordon Moore, een van de oprichters van chipfabrikant Intel, voorspelde het al in 1965. De wet van Moore stelt dat het aantal transistors in een chip, of geïntegreerde schakeling, verdubbelt ongeveer elke twee jaar. Deze prognose werd later bijgesteld tot 18 maanden, maar de theorie staat nog steeds. Chips worden kleiner en hun rekenkracht neemt toe. Vandaag de dag, een chip kan meer dan een miljard transistors bevatten.

Maar deze verdere verkleining brengt ook een aantal obstakels met zich mee. De schakelaars en draden zitten zo dicht op elkaar dat ze meer weerstand genereren. Dit, beurtelings, zorgt ervoor dat de chip meer energie verbruikt om signalen te verzenden. Om een ​​goed werkende chip te hebben, je hebt een isolerende stof nodig die de draden van elkaar scheidt, en zorgt ervoor dat de elektrische signalen niet worden verstoord. Echter, dat is niet eenvoudig te bereiken op nanoschaalniveau.

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 zou kunnen bieden. "We gebruiken metaal-organische raamwerken (MOF's) als isolerende substantie. Dit zijn materialen die bestaan ​​uit metaalionen en organische moleculen. Samen, ze vormen een kristal dat poreus en toch stevig is."

Voor de eerste keer, een onderzoeksteam van de KU Leuven en imec slaagden erin om de MOF-isolatie toe te passen op elektronisch materiaal. Hiervoor werd een industriële methode gebruikt, chemische dampafzetting genaamd, zegt postdoctoraal onderzoeker Mikhail Krishtab (afdeling Microbiële en Moleculaire systemen). "Eerst, we plaatsen een oxidefilm op het oppervlak. Vervolgens, we laten het reageren met damp van het organische materiaal. Door deze reactie zet het materiaal uit, vorming van de nanoporeuze kristallen."

"Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat het bottom-up is, " zegt Krishtab. "We deponeren eerst een oxidefilm, die vervolgens opzwelt tot een zeer poreus MOF-materiaal. Je kunt het vergelijken met een soufflé die in de oven opblaast en heel licht wordt. Het MOF-materiaal vormt een poreuze structuur die alle openingen tussen de geleiders opvult. Zo weten we dat de isolatie compleet en homogeen is. Met andere, top-down methoden, er blijft altijd het risico van kleine gaatjes in de isolatie."

Krachtig en energiezuinig

De onderzoeksgroep van professor Ameloot heeft een ERC Proof of Concept-beurs ontvangen om de techniek verder te ontwikkelen, in samenwerking met Silvia Armini van imecs team dat werkt aan geavanceerde diëlektrische materialen voor nanochips. "Bij imec, we hebben de expertise om wafer-gebaseerde oplossingen te ontwikkelen, het opschalen van technologieën van lab tot fab en de weg vrijmaken voor het realiseren van een maakbare oplossing voor de micro-elektronica-industrie."

"We hebben aangetoond dat het MOF-materiaal de juiste eigenschappen heeft, "Ameloot gaat verder. "Nu, we moeten alleen de afwerking verfijnen. Het oppervlak van de kristallen is momenteel nog onregelmatig. We moeten dit gladstrijken om het materiaal in een chip te integreren."

Als de techniek eenmaal geperfectioneerd is, het kan worden gebruikt om krachtige, kleine chips die minder energie verbruiken.

Ameloot:“Verschillende AI-toepassingen vragen veel rekenkracht. Denk aan zelfrijdende auto’s en slimme steden. Technologiebedrijven zijn continu op zoek naar nieuwe oplossingen die zowel snel als energiezuinig zijn. Ons onderzoek kan een waardevolle bijdrage zijn aan een nieuwe generatie van chips."