Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 7 minutes
Koolstofnanobuizen mogen dan bijna ideale elektrische eigenschappen hebben voor toepassing in chips, maar hoe organiseer je ze in ontzettend regelmatige structuren? Na vorige week Nantero‘s NRam onder de loep te hebben genomen, kijkt Binnenstebuiten deze keer naar de procestechnologie van de piepkleine deeltjes, of althans hun voorlopers. Een onderzoeksgroep van IBM heeft daar een ingenieuze manier voor gevonden.
’Over andere bedrijven kan ik echt geen uitspraken doen‘, zegt Phaedon Avouris van IBM. Hij heeft het over Nantero, de geestelijk vader van Nanoram (NRam). In Bits&Chips 16 besprak Binnenstebuiten dit elektromechanische geheugentype op basis van koolstofnanobuizen (carbon nanotubes, CNT‘s). De potentie van NRam is groot, maar zolang de Amerikaanse start-up weigert openheid van zaken te geven over een aantal fundamentele technologische pijnpunten is enthousiasme vooralsnog misplaatst.
Het is daarom des te jammer dat Avouris zijn licht niet op Nantero wil laten schijnen. Als groepsleider bij een niet-academisch onderzoekscentrum (IBM‘s T.J. Watson Research Center) én CNT-expert zou hij bij uitstek geschikt zijn geweest de vinger op de zere plek te leggen. In bedekte termen laat de onderzoeker echter doorschemeren dat hij zo zijn twijfels heeft. ’Er kan bij het uitwerken van een goed idee zoveel misgaan. Ik schort mijn mening altijd op totdat er een demonstrator gereed is.‘ Nantero heeft zo‘n prototype niet.
Het probleem van de Amerikaanse start-up, zoals deze rubriek vorige week al aanstipte, zit ‘m in de procestechnologie. Bij het maken van een geheugenchip moeten enorme aantallen CNT‘s naar de goede plek worden gedirigeerd. Daarvoor zijn in principe twee verschillende methodes denkbaar, legt CEO Greg Schmergel van Nantero uit. ’Je kunt katalytische deeltjes op de wafer positioneren. Die dienen als kiem voor de groei van nanobuizen. Het probleem hiermee is de verwijdering van de katalysatoren. Die deeltjes moet je na afloop als vervuiling beschouwen. Ze verstoren de elektrische eigenschappen. Het weghalen is echter geen sinecure.‘ Het voordeel van de katalytische methode is dat de controle over de positionering van de nanodeeltjes relatief hoog is.
Nantero heeft echter begrijpelijkerwijs gekozen voor het alternatief, productietechnologie die compatibel is met gangbare CMos-fabricage. ’Daarbij brengen we een dun laagje CNT‘s op met behulp van spincoating. Dat doen we door de nanobuizen in een vloeistof te suspenderen (oplossen doen ze niet, PvG) en op een wafer te sproeien.‘ Zo verdelen de cilindervormige nanodeeltjes zich in een tamelijk uniforme laag over de wafer. Wanneer het ’oplosmiddel‘ is verdampt, blijven ze alleen over. Vervolgens kunnen met standaard lithografie- en etstechnieken de geheugencellen worden aangebracht.
Het probleem is dat de CNT‘s bij spincoaten volledig willekeurige oriëntaties ten opzichte van elkaar en de wafer aannemen. Het vergt meer dan een wonder om miljarden buisjes keurig in het gelid, dat wil zeggen parallel, op de wafer aan te treffen. Het is daarom moeilijk voor te stellen hoe je daar transistorstructuren op kunt baseren. Toch is het mogelijk, beweert Schmergel consequent in de media.
Hij baseert die controversiële stelling op de celstructuur van NRam (zie Bits&Chips 16 voor een uitgebreide uitleg). De koolstofnanobuizen overspannen een ravijntje, met op de bodem daarvan een elektrode. ’Hoe die CNT‘s staan ten opzichte van de randen van het ravijn is niet belangrijk. Het mag loodrecht zijn of onder een hoek.‘ Critici zijn het niet met hem eens. Alignment is volgens hen absoluut noodzakelijk. Het schakelvoltage zou bijvoorbeeld variëren met de afstand die de nanobuizen moeten overspannen (hoe scherper de hoek met de rand, hoe verder een CNT moet reiken om de overkant te halen). Totdat de mist over dit pijnpunt is opgetrokken, blijft NRam een vraagteken als universeel geheugen van de toekomst.
Ballistische geleiding
Phaedon Avouris en zijn achtkoppige onderzoeksgroep hebben een elegant alternatief bedacht om nanobuizen naar de gewenste plekken te dirigeren. Om te beginnen, vonden ze het wel handig om de CNT‘s echt te kunnen oplossen. ’Als suspensie wordt het maar een rommeltje‘, grapt Avouris. Daar hebben chemici een handig trucje voor: functionalisatie. Ze plakken als het ware extra moleculen aan de buisjes. ’We kiezen die zodanig dat de oplosbaarheid van het geheel toeneemt. De moleculen en de bijbehorende synthetische methodologie die we uiteindelijk hebben gekozen, waren al bekend. Die hoefden we niet zelf uit te zoeken.‘
Een tweede eis waaraan de zogenaamde functionele groepen moeten voldoen, is dat ze de patroonvorming in goede banen kunnen leiden. Zie het als de labeltjes aan de bagage op het vliegveld. Die zorgen ervoor dat de koffers en tassen in de logistieke wirwar toch bij de juiste terminal terechtkomen. Op de luchthaven gaat dat met barcodes of RFID, de chemische oormerkjes werken op een iets andere manier. Zij hebben een inherente affiniteit of juist een afkeer van materialen. Door daar op in te spelen met voorgevormde patroontjes op een wafer (aangebracht met elektronenbundellithografie), kunnen ze ervoor zorgen dat CNT‘s netjes op hun plekje terechtkomen (zie figuur).
Wanneer de voorbehandelde wafer in een oplossing van de gefunctionaliseerde nanobuizen wordt gedoopt, vinden de CNT‘s door diffusie hun weg naar materialen waartoe ze zich voelen aangetrokken. Daar blijven ze plakken. Avouris en zijn collega‘s kozen ervoor om de buizen in (en niet over, zoals Nantero) een ravijntje te leggen. Dat had te maken met het aanbrengen van een elektrodes later in het proces.
Functionalisatie is echter niet zonder gevaar. ’Het is tot nu toe onmogelijk gebleken om CNT‘s te functionaliseren zonder hun elektrische eigenschappen te ruïneren. De ballistische geleiding, bijvoorbeeld, verdwijnt erdoor‘, zegt Avouris. Ballistische geleiding is een unieke vorm van stroom doorlaten, ’te vergelijken met supergeleiding‘. De Amerikaanse onderzoekers pasten daar een mouw aan door de functionalisatie reversibel te maken. ’Als de buizen op de juiste plek zitten, bakken we de wafer af op 600 graden Celsius. Een milde anneal heet dat.‘ Door de hitte laten de functionele groepen los en worden ze als gassen afgevoerd. De nanobuizen en hun elektrische eigenschappen worden door de afbakstrategie in hun oorspronkelijke staat hersteld.
Het sluitstuk van Avouris‘ methode is het aanbrengen van elektrodes. Dat gaat met e-beam evaporation. Deze techniek gebruikt een elektronenbundel om het elektrodemateriaal, titaan en palladium, selectief te verdampen. Van een uniforme laag blijven dan alleen de elektrodestructuren over. Dankzij hun ingenieuze strategie slaagden de Amerikanen erin om veldeffecttransistoren te maken ’met uitstekende elektrische karakteristieken.‘
Op grote oppervlakken werkte deze manier van patterning aanvankelijk niet al te best. ’Slechts een klein percentage buisjes kwam op de juiste plek en in de juiste oriëntatie terecht. We hebben daarom gespeeld met de chemische labels om de oplosbaarheid en de interactie met vaste oxides te verbeteren.‘ Dat resulteerde uiteindelijk in wateroplosbare nanobuizen. ’Door de zuurgraad te variëren, bleken we wel controle te hebben over depositie en oriëntatie.‘
Verlanglijstjes
Omdat de strategie van Avouris leunt op elektronenbundellithografie, is er voorlopig nog geen zicht op een massaproductieproces. Waarschijnlijk is het idee wel over te zetten naar conventionele lithografie. Net als Nantero levert dat een CMos-compatibel proces op. ’Maar zo ver zijn we nog lang niet‘, benadrukt Avouris.
Waarom steekt een bedrijf als IBM dan toch zoveel in nanobuisonderzoek? Op korte termijn zal het weinig opleveren. Intel doet bijvoorbeeld dergelijk onderzoek helemaal niet zelf. Het geeft wel geld aan academische groepen. Hoeveel is onbekend. Ook Avouris wil geen cijfers kwijt. ’Maar ik ben overtuigd van de juistheid van IBM‘s onderzoeksstrategie, al zal de tijd het leren. Alle respect voor mijn academische collega‘s, maar die weten de vertaling naar technologie in de regel niet te maken. Ze zullen stuiten op bottlenecks. Een industrieel onderzoekscentrum is veel beter in staat om een langetermijnstrategie uit te stippelen.‘
’Ik ben er ook van overtuigd dat IBM‘s investeringen in post-CMos-onderzoek zich zullen uitbetalen. Fundamentele ontdekkingen laten zich moeilijk voorspellen, maar technologie steunt er wel op. Zolang het kan, borduren we voort op dezelfde principes. Zoveel verschil is er in die zin niet tussen de chips van nu en dertig jaar terug. Maar welke trukendoos we ook nog gaan opentrekken, er zal vroeg of laat een paradigmaverschuiving moeten plaatsvinden. IBM zit dan op de eerste rij.‘
Avouris heeft er als onderzoeker natuurlijk baat bij, maar hij voert een flinke dosis scepsis ten tonele als het gaat over de roadmaps die zijn uitgestippeld tot minimaal het 22-nanometerknooppunt. ’Dat zijn meer verlanglijstjes. Hoe verder we in de toekomst gaan, hoe onduidelijker het is hoe we die horden moeten nemen. Dat is een naar neveneffect van de wet van Moore.‘
Ondanks deze motivatie van IBM om CNT-onderzoek in eigen huis te doen, interesseren de nanocilinders Avouris echter voornamelijk in zijn hoedanigheid als wetenschapper. En dan gaat het hem niet alleen om de elektrische eigenschappen. Zijn groep is onlangs ook begonnen met opto-elektronisch onderzoek. ’CNT‘s hebben al net zulke geweldige optische eigenschappen als elektrische. Het zou een universeel basismateriaal kunnen zijn voor zowel processoren en geheugens als displays, leds en optische interconnects.‘
En hiermee begint Avouris, die tijdens het interview er nochtans blijk van heeft gegeven met beide voeten op de grond te staan, weer met de typische dagdroom van een echte natuurwetenschapper. CNT‘s gaan ook de komende jaren nog regelmatig het nieuws halen, ook al heeft de ontdekking niet veel om het lijf. Dat wil zeggen, met de huidige stand van zaken duurt het nog wel even voordat de nanobuis een revolutie teweegbrengt. Maar ach, met een beetje dromen is niets mis.
