Siliciumnitride: van keramische kogellager tot lichtchip
Siliciumnitride is een keramisch materiaal met de scheikundige formule Si3N4: drie atomen silicium verbonden met vier atomen stikstof. Het is al decennialang bekend als een extreem hard, hittebestendig en chemisch inert materiaal, vergelijkbaar in stevigheid met sommige staalsoorten maar veel lichter en ongevoelig voor roest. Denk aan een kogellager die moet draaien bij duizenden toeren per minuut zonder te verslijten, ook al wordt hij gloeiend heet: daarvoor worden al jaren kogeltjes van siliciumnitride gebruikt in plaats van staal.
De laatste jaren duikt de term echter steeds vaker op in een heel ander verband: geïntegreerde fotonica, oftewel chips die niet met elektronen maar met licht werken. Siliciumnitride blijkt namelijk, in een dunne laagvorm, een uitstekend medium om licht doorheen te leiden met minimaal verlies. Vergelijk het met een glasvezelkabel die is platgeperst tot op een chip: dezelfde functie, maar dan honderden keren kleiner en te combineren met andere chipfuncties. Die combinatie van een oeroud, saai ogend keramisch materiaal en een van de meest veelbelovende technologieën van dit moment maakt siliciumnitride een interessant onderwerp om nader te bekijken.
Wat is het precies?
Siliciumnitride ontstaat wanneer silicium (hetzelfde element als in gewone computerchips) chemisch reageert met stikstof, meestal onder hoge temperatuur. Het resultaat is een keramiek: geen metaal, geen kunststof, maar een hard, broos, hittebestendig materiaal dat van nature geen elektriciteit geleidt.
In de mechanische industrie wordt siliciumnitride gesinterd, dat wil zeggen: poeder wordt onder hoge druk en temperatuur samengeperst tot een vaste, dichte vorm, zoals kogels voor lagers of snijplaatjes voor gereedschap. Het materiaal is bestand tegen temperaturen tot ruim boven de duizend graden Celsius, is chemisch nauwelijks aan te tasten en heeft een lage warmte-uitzetting, waardoor het niet snel scheurt bij plotselinge temperatuurschommelingen.
In de chipindustrie wordt siliciumnitride juist als een flinterdunne laag aangebracht, vaak maar een paar honderd nanometer dik (een nanometer is een miljardste meter). Dat gebeurt via dampafzetting, een proces waarbij gasvormige bouwstenen op een oppervlak neerslaan en daar een vaste laag vormen. Zo'n laag dient al sinds de jaren zeventig als isolerende beschermlaag op computerchips, omdat siliciumnitride vocht en verontreinigingen buitenhoudt.
De derde en nieuwste toepassing zit in de fotonica. Gewoon silicium, het materiaal waar de meeste computerchips van zijn gemaakt, absorbeert zichtbaar licht en is daardoor ongeschikt om licht in die kleuren door te geleiden. Siliciumnitride laat licht juist door over een breed kleurenspectrum, van zichtbaar tot infrarood. Door er microscopisch kleine kanaaltjes, golfgeleiders genoemd, in te etsen, kan licht bijna verliesvrij door een chip worden gestuurd, vergelijkbaar met hoe koperbanen elektrische signalen op een gewone chip geleiden.
Wat wil men ermee bereiken?
In de mechanische wereld is het doel simpel: onderdelen die langer meegaan, minder wrijving veroorzaken en bestand zijn tegen extreme omstandigheden, van ruimtevaart tot racemotoren. Minder wrijving betekent minder energieverlies en minder slijtage, wat op de lange termijn kosten en materiaal bespaart.
In de chipfotonica ligt de ambitie veel breder. Onderzoekers en bedrijven willen optische functies, zoals het opwekken, filteren, versterken en detecteren van licht, net zo klein en goedkoop maken als elektronische chipfuncties nu al zijn. Dat moet uiteindelijk leiden tot compacte, energiezuinige chips die functies vervullen die nu nog forse, dure labopstellingen vergen: zeer nauwkeurige afstandsmeting zonder bewegende onderdelen, razendsnelle optische datacommunicatie tussen servers in datacenters, of draagbare sensoren die ziektes kunnen opsporen aan de hand van een druppel bloed.
Een belangrijke onderliggende drijfveer is de groeiende behoefte aan bandbreedte. Datacenters die kunstmatige intelligentie draaien, verstoken enorme hoeveelheden data tussen chips onderling, en koperdraad raakt op een gegeven moment fysiek beperkt in snelheid en energieverbruik. Licht kan daar in potentie veel meer capaciteit bieden bij minder warmteontwikkeling, en siliciumnitride-fotonica wordt gezien als een van de kandidaten om die verbindingen op chipniveau te realiseren.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete voorbeelden laat zien hoever de technologie al is doorgedrongen in de praktijk.
LioniX International, een bedrijf in Enschede dat is voortgekomen uit onderzoek aan de Universiteit Twente, ontwikkelt sinds het begin van deze eeuw de zogeheten TriPleX-technologie: golfgeleiders op basis van siliciumnitride met een uitzonderlijk laag lichtverlies. Deze chips worden onder meer gebruikt in optische gyroscopen (richtingssensoren zonder bewegende delen) en biosensoren.
Ligentec, een Zwitsers bedrijf dat is voortgekomen uit onderzoek aan de EPFL in Lausanne, opende enkele jaren geleden een eigen productiefaciliteit (foundry) specifiek voor siliciumnitride-fotonica, waar andere bedrijven en onderzoeksgroepen hun chipontwerpen kunnen laten fabriceren.
Onderzoekers van de EPFL rond hoogleraar Tobias Kippenberg ontwikkelden rond 2018 het zogeheten fotonische Damascusproces, genoemd naar een oude metaalbewerkingstechniek. Dit proces lost een hardnekkig probleem op: dikke siliciumnitride-lagen, nodig voor bepaalde optische toepassingen, hebben van nature de neiging te scheuren door inwendige spanning. Deze techniek maakte het mogelijk om betrouwbaar dikkere, spanningsvrije lagen te maken, wat de deur opende naar zogeheten optische frequentiekammen op een chip: een soort optische liniaal die met extreme precisie kleuren van licht kan meten of genereren.
Bij het Amerikaanse standaardeninstituut NIST wordt met dergelijke siliciumnitride-microresonatoren onderzoek gedaan naar compacte, chipgebaseerde optische atoomklokken, apparaten die normaal gesproken een hele labtafel vullen maar in potentie sterk verkleind kunnen worden.
Een heel ander, veel ouder voorbeeld komt uit de autosport: sinds de turbo-hybride motoren in de Formule 1 (vanaf 2014) worden in turboladers vaak hybride kogellagers gebruikt met kogels van siliciumnitride, omdat deze lichter zijn dan stalen kogels, minder wrijving geven en de zeer hoge toerentallen van een turbo-as beter aankunnen.
Hoe ver is de techniek?
De mechanische en halfgeleidertoepassingen van siliciumnitride zijn volwassen techniek: ze worden al tientallen jaren op industriële schaal toegepast en zijn nauwelijks nog experimenteel te noemen.
De fotonicatoepassing bevindt zich in een tussenfase. Sommige onderdelen zijn al commercieel verkrijgbaar, zoals de eerder genoemde gyroscopen en biosensorchips, en ook telecombedrijven gebruiken siliciumnitride-onderdelen in bepaalde glasvezelapparatuur. Andere toepassingen, zoals volledig geïntegreerde chipgebaseerde atoomklokken, kwantumcomputers op basis van foton-lichtdeeltjes, of siliciumnitride-verbindingen tussen AI-chips in datacenters, zijn nog grotendeels onderzoeksmateriaal of net de eerste commerciële proefprojecten.
Een belangrijk obstakel is dat siliciumnitride zelf geen licht kan opwekken of versterken: het is een passief materiaal, geen halfgeleider met een geschikte bandafstand voor lasers. Lasers en versterkers moeten daarom apart worden gemaakt, meestal van zogeheten III-V-materialen zoals indiumfosfide, en vervolgens met de siliciumnitride-chip worden gecombineerd. Deze zogeheten hybride of heterogene integratie is technisch lastig en duur, en vormt momenteel een van de grootste hindernissen om siliciumnitride-fotonica echt op grote schaal betaalbaar te maken.
Ook de productiecapaciteit is nog beperkt: er zijn wereldwijd maar een handvol gespecialiseerde foundries die siliciumnitride-fotonicachips op enige schaal kunnen produceren, tegenover honderden fabrieken voor gewone elektronicachips. Dat maakt de kosten per chip nog altijd aanmerkelijk hoger dan bij reguliere silicium-elektronica, al dalen die kosten wel geleidelijk naarmate meer partijen instappen.
Wie werken eraan?
Nederland speelt een relatief prominente rol via LioniX International in Enschede, met wortels in het onderzoek van de Universiteit Twente en het bijbehorende MESA+-instituut voor nanotechnologie. Zwitserland is vertegenwoordigd via Ligentec en de onderliggende onderzoeksgroepen van de EPFL. In België werkt onderzoeksinstituut imec aan siliciumnitride-platforms gericht op onder meer datacentertoepassingen en telecom.
In de Verenigde Staten zijn academische groepen aan onder meer Columbia University, Caltech en het Amerikaanse standaardeninstituut NIST al langer toonaangevend in fundamenteel onderzoek naar laagverlies-golfgeleiders en optische frequentiekammen. Daarnaast investeert de Amerikaanse overheid via initiatieven als AIM Photonics in gedeelde productiefaciliteiten voor fotonicachips, waaronder siliciumnitride-processen. Ook grote namen als Nokia Bell Labs doen onderzoek op dit gebied, en gespecialiseerde start-ups zoals het Amerikaanse Anello Photonics richten zich op specifieke toepassingen zoals optische navigatiesensoren.
Voor de mechanische en halfgeleidertoepassingen is het speelveld veel breder: talloze fabrikanten van keramische onderdelen en chipmateriaal over de hele wereld, van Japan en Duitsland tot de Verenigde Staten, verwerken siliciumnitride al decennialang in hun productielijnen, zonder dat dit nog bijzonder nieuws is.