Paul van Gerven
29 May 2015

Een grafeenachtig type silicium zou ooit het ‘standaard’ silicium in chips kunnen vervangen. De eerste transistor van siliceen is alvast gemaakt.

De afgelopen vijf decennia heeft de onderzoekswereld regelmatig nieuwe materialen voorgesteld die in de halfgeleiderindustrie silicium van zijn troon zouden stoten. Galliumarsenide, koolstofnanobuizen, grafeen en andere 2d-materialen: allemaal hebben ze op papier een of meerdere superieure eigenschappen. Toch is het nooit tot een wisseling van de wacht gekomen. Slechts tien procent van de markt steunt op andere halfgeleiders dan silicium.

Dat nu de eerste transistor met het exotische siliceen is gemaakt, betekent dan ook niet dat een revolutie aanstaande is. Desalniettemin is dit soort onderzoekswerk anno 2015 relevanter geworden voor de halfgeleiderindustrie dan het een decennium geleden was. Want silicium blijft weliswaar in de overzienbare toekomst de grondstof bij uitstek voor chips, maar aanvullende materialen worden steeds belangrijker. Eerste keuzes zijn halfgeleiders die dicht bij silicium staan, zoals germanium, maar op termijn zouden ook ‘modernere’ 2d-materialen in aanmerking kunnen komen.

Transistor van siliceen, met van onder naar boven aluminiumoxide, siliceen en zilver. Let op de bijzondere ruimtelijke structuur van siliceen. In tegenstelling tot koolstofatomen in grafeen laten siliciumatomen zich niet in één vlak dwingen. Aan deze zigzagstructuur ontleent siliceen zijn bandovergang.

Source en drain

Als speciale verschijningsvorm van silicium heeft siliceen misschien een streepje voor: het is de silicium tegenhanger van grafeen en het bestaat dus uit atoomdikke ‘velletjes’ van siliciumatomen die in hexagonale patronen zijn georganiseerd. Siliceen deelt de aantrekkelijke elektronische eigenschappen van zijn koolstofbroer, maar heeft er één extra: een bandovergang. Dit verschil is cruciaal, omdat een bandovergang essentieel is om transistoren aan en uit te kunnen zetten.

Nadeel van siliceen is de instabiliteit. Grafeen komt in de natuur voor als grafiet, een verbinding waarin grafeenvelletjes elkaar losjes vasthouden. Iets vergelijkbaars bestaat niet voor siliceen, al is inmiddels aangetoond dat siliceen van enkele vellen dik redelijk stabiel is. Een los velletje valt echter bij het minste of geringste uit elkaar, zeker als het wordt blootgesteld aan lucht.

Het was dan ook geen sinecure om een siliceentransistor te maken. Onderzoekers van de University of Texas at Austin slaagden er pas in toen ze een op zilver gevormd plakje siliceen afdekten met aluminiumoxide en het geheel vervolgens met een paar lagen zilveratomen en al overplaatsten naar siliciumdioxide. Ze keerden het sample daarbij om, zodat het zilver bovenop kwam te liggen. Daarna werd een deel van het edelmetaal weggeëtst om een source en drain te maken.

Concurrentie

De resulterende back-gated transistor (zie figuur) werkt, maar de prestaties vallen wat tegen. Het ding schakelt bij kamertemperatuur met een aan-uit-verhouding van tien – niet bepaald om over naar huis te schrijven. Ook pakt de elektronmobiliteit een factor duizend lager uit dan in vrij siliceen.

Er zijn nog vele strategieën denkbaar om de prestaties te verbeteren, zoals gebruik van multilaags siliceen of adsorptie van hulpstoffen aan het siliceenoppervlak. Deze trukendoos kan echter ook worden aangewend om de minpunten van grafeen en andere 2d-materialen op te poetsen, dus de toekomst moet uitwijzen met welk materiaal de beste prijs-prestatieverhoudingen kunnen worden verkregen en of die aantrekkelijk genoeg zijn voor toepassing in commerciële producten.

In de tussentijd zou siliceen dankzij het Texaanse onderzoek er weleens concurrentie bij kunnen krijgen. De ontwikkelde procedure is immers ook geschikt om andere tere 2d-materialen zoals germaneen (reeds gesynthetiseerd) en stanneen (op basis van tin, nog niet gesynthetiseerd) te testen in elektronische schakelaars.