Een typische computerchip bevat miljoenen transistors die zijn verbonden met een uitgebreid netwerk van koperdraden. Hoewel chipdraden onvoorstelbaar kort en dun zijn in vergelijking met huishouddraden, hebben beide één ding gemeen:in elk geval is het koper in een beschermende huls gewikkeld.

Jarenlang heeft een materiaal genaamd tantaalnitride een beschermende laag gevormd in chipdraden.

Nu tonen door Stanford geleide experimenten aan dat een ander omhulselmateriaal, grafeen, kan elektronen helpen sneller door kleine koperdraden in chips te kruipen.

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een sterk maar dun rooster. Stanford elektrotechnisch ingenieur H.-S. Philip Wong zegt deze bescheiden oplossing, grafeen gebruiken om draden in te wikkelen, zouden transistors in staat kunnen stellen sneller gegevens uit te wisselen dan momenteel mogelijk is. En de voordelen van het gebruik van grafeen zouden in de toekomst groter worden naarmate transistors blijven krimpen.

"Onderzoekers hebben enorme vooruitgang geboekt op alle andere componenten in chips, maar recentelijk hebben er is niet veel vooruitgang geboekt bij het verbeteren van de prestaties van de draden, " hij zei.

Wong leidde een team van zes onderzoekers, waaronder twee van de Universiteit van Wisconsin-Madison, die hun bevindingen zullen presenteren op de Symposia of VLSI Technology and Circuits in Kyoto, een toonaangevende locatie voor de elektronica-industrie.

Lin Li, een afgestudeerde student elektrotechniek aan Stanford en eerste auteur van het onderzoekspaper, legde uit waarom het vervangen van de buitenste wikkel op de verbindingsdraden zo'n grote impact kan hebben op de prestaties van de chip.

Het begint met het begrijpen van de dubbele rol van deze beschermende laag:het isoleert het koper van het silicium op de chip en dient ook om elektriciteit te geleiden.

Op siliciumchips, de transistors werken als kleine poortjes om elektronen aan of uit te zetten. Die schakelfunctie is hoe transistors gegevens verwerken.

De koperdraden tussen de transistoren transporteren deze gegevens zodra deze zijn verwerkt.

Het isolerende materiaal - momenteel tantaalnitride - zorgt ervoor dat het koper niet naar de siliciumtransistors migreert en ze niet-functioneel maakt.

Waarom overstappen op grafeen?

Twee redenen, te beginnen met de onophoudelijke wens om elektronische componenten steeds kleiner te maken.

Toen het Stanford-team de dunst mogelijke laag tantaalnitride gebruikte die nodig was om deze isolerende functie uit te voeren, ze ontdekten dat de industriestandaard acht keer dikker was dan de grafeenlaag die hetzelfde werk deed.

Grafeen had een tweede voordeel als beschermende omhulling en hier is het belangrijk om te onderscheiden hoe deze buitenste laag functioneert in chipdraden versus huishoudelijke draden.

In huisdraden isoleert de buitenste laag het koper om elektrocutie of brand te voorkomen.

In een chip is de laag rond de draden een barrière om te voorkomen dat koperatomen het silicium infiltreren. Als dat zou gebeuren, zouden de transistoren niet meer werken. Dus de beschermende laag isoleert het koper van het silicium

Het Stanford-experiment toonde aan dat grafeen deze isolerende rol kan vervullen en tegelijkertijd als hulpgeleider van elektronen kan dienen. Door de roosterstructuur kunnen elektronen van koolstofatoom naar koolstofatoom springen, recht langs de draad, terwijl het effectief de koperatomen in de koperdraad bevat.

Deze voordelen - de dunheid van de grafeenlaag en zijn dubbele rol als isolator en hulpgeleider - zorgen ervoor dat deze nieuwe draadtechnologie meer gegevens tussen transistors kan vervoeren, het versnellen van de algehele chipprestaties in het proces.

In de chips van vandaag zijn de voordelen bescheiden; een grafeenisolator zou de draadsnelheid verhogen van vier procent naar 17 procent, afhankelijk van de lengte van de draad.

Maar naarmate transistors en draden steeds kleiner worden, de voordelen van de ultradunne maar geleidende grafeenisolator worden groter. De ingenieurs van Stanford schatten dat hun technologie de draadsnelheid in de komende twee generaties met 30 procent kan verhogen

De Stanford-onderzoekers denken dat de belofte van snellere computers andere onderzoekers ertoe zal aanzetten geïnteresseerd te raken in draden, en helpen om enkele van de hindernissen te overwinnen die nodig zijn om dit bewijs van principe in de praktijk te brengen.

Dit omvat technieken om grafeen te laten groeien, vooral door het rechtstreeks op draden te laten groeien terwijl chips in massa worden geproduceerd. Naast zijn medewerker aan de Universiteit van Wisconsin, professor Michael Arnold, Wong citeerde Purdue University Professor Zhihong Chen. Wong merkte op dat het idee om grafeen als isolator te gebruiken werd geïnspireerd door Paul McEuen, professor aan de Cornell University en zijn baanbrekende onderzoek naar de basiseigenschappen van dit prachtige materiaal. Alexander Balandin van de University of California-Riverside heeft ook bijgedragen aan het gebruik van grafeen in chips.

"Van grafeen is al lang beloofd dat het de elektronica-industrie ten goede zal komen, en het gebruiken als een koperen barrière is misschien de eerste realisatie van deze belofte, ' zei Wong.