Nieuw 2D-materiaal kan ontbrekende schakel zijn voor snellere chips

In de zoektocht naar steeds kleinere en snellere computerchips kijken onderzoekers al jaren naar materialen die slechts één of enkele atomen dik zijn. Deze atoomdunne materialen geleiden elektriciteit extreem efficiënt en kunnen in theorie transistors mogelijk maken die vele malen kleiner zijn dan de huidige chips van silicium. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Tseng en collega's meldt nu in het vakblad Nature een doorbraak die deze technologie een belangrijke stap dichterbij brengt.

Twee soorten stroom, twee soorten materialen

Elektrische stroom in een halfgeleider ontstaat op twee manieren: door de beweging van negatief geladen elektronen, of door de beweging van zogeheten 'gaten' — plekken waar een elektron ontbreekt en die zich gedragen als positieve ladingsdragers. Materialen die vooral elektronen goed transporteren heten n-type, materialen die vooral gaten transporteren heten p-type. Voor krachtige, energiezuinige elektronica heb je beide типes nodig: in vrijwel elke moderne chip werken n-type en p-type transistors samen in paren, een aanpak die bekendstaat als complementaire elektronica en die de basis vormt van elk hedendaags computergeheugen en elke processor.

Bij gewone silicium-chips is dat geen probleem: silicium kan prima als beide soorten fungeren. Maar bij 2D-materialen, de dunne opvolgers van silicium die onderzoekers als kandidaat zien voor de chips van de toekomst, ligt dat anders. Er zijn de afgelopen vijftien jaar tal van uitstekende n-type 2D-materialen gevonden, zoals bepaalde soorten molybdeensulfide. Een even goed werkend p-type alternatief bleef echter uit. Dat gebrek vormde een hardnekkig obstakel: zonder goede p-type partner kun je geen volwaardige logicachips bouwen die volledig uit 2D-materiaal bestaan.

Boor-koolstofnitride als ontbrekende schakel

De nieuwe studie beschrijft een materiaal genaamd boor-koolstofnitride, afgekort BCN: een combinatie van boor, koolstof en stikstof die in een dun, geordend laagje wordt gegroeid. Uit de metingen van het team blijkt dat dit materiaal zich gedraagt als een p-type halfgeleider, en dat met prestaties die in de buurt komen van wat nodig is voor praktische toepassingen. Daarmee zou BCN precies het ontbrekende puzzelstuk kunnen zijn voor complementaire 2D-elektronica.

Belangrijk is dat het hier gaat om fundamenteel materiaalonderzoek: de stap naar een werkende chip in een fabriek is nog groot. Onderzoekers moeten onder meer aantonen dat BCN op grote schaal en met consistente kwaliteit te produceren is, en dat het zich goed combineert met bestaande n-type materialen in een echte transistor. Toch zien vakgenoten de vondst als veelbelovend, omdat het jarenlange stilstand op dit specifieke punt doorbreekt. Mocht BCN zich in vervolgonderzoek bewijzen, dan opent dat de deur naar een nieuwe generatie chips die niet alleen kleiner, maar ook aanzienlijk zuiniger zijn dan de huidige generatie — een eigenschap die steeds belangrijker wordt nu het energieverbruik van chips, mede door de groei van AI, snel oploopt.