24 april 2009
Een wetenschappelijke doorbraak met ferro-elektrisch duomateriaal voor chips brengt 'instant boot' voor PC's dichterbij. Een team onderzoekers van verschillende Amerikaanse universiteiten (Cornell, Pittsburgh, North Western) en bedrijven als Motorola en Intel heeft twee nauwelijks te combineren materialen samengekregen. Daarmee zijn ferro-elektrische transistors mogelijk voor geheugenchips, die dan gegevens kunnen vasthouden zonder stroom. Ook is er veel minder stroom nodig om dergelijke transistors aan en uit te schakelen. Dat betekent energiezuinigere of ook snellers chips. De onderzoekers publiceerden onlangs een artikel in Science. Een samenvatting is gratis toegankelijk. De National Science Foundation, die het onderzoek subsidieerde, meldde: 'Researchers led by Cornell University materials scientist Darrell Schlom took strontium titanate, a normally non-ferroelectric variant of the ferroelectric material used in smart cards, and deposited it on silicon–the principal component of most semiconductors and integrated circuits–in such a way that the silicon squeezed it into a ferroelectric state'. Die toevoeging leidt normaal gesproken tot niets, maar in deze combinatie tot ferro-elektrische eigenschappen, zo schrijven de wetenschappers.
'It's great to see fundamental research on ordered layering of materials, or epitaxial growth, under strained conditions pay off in such a practical manner, particularly as it relates to ultra-thin ferroelectrics', zegt Lynnette Madsen, programmadirecteur bij het NSF en verantwoordelijk voor het Nanoscale Interdisciplinary Research Team, die de subsidiering van het onderzoek heeft verzorgd. 'The result could pave the way for a next-generation of memory devices that are lower power, higher speed and more convenient to use. For everyday computer users, it could mean no more waiting for the operating system to come online or to access memory slowly from the hard drive'. En Schlom vervolgt: 'Several hybrid transistors have been proposed specifically with ferroelectrics in mind. By creating a ferroelectric directly on silicon, we are bringing this possibility closer to realization'. Zijn team heeft de doorbraak geboekt om een ferro-elektrisch geheel te maken zonder 'lijmlaag' tussen silicium en het toegevoegde materiaal. Zo'n tussenlaag vormt namelijk een hindernis voor de gewenste eigenschappen. De afgelopen jaren is die tussenlaag weliswaar steeds dunner geworden. Het gebruik van silicium maakt het mogelijk traditionele productiemethoden te gebruiken. Aanpassingen zijn wel nodig, maar dat is beter mogelijk en veel minder kostbaar dan compleet nieuwe fabricagemethodes. Dan nog liggen daadwerkelijke chips en gebruik daarvan in PC's nog diverse jaren in de toekomst. Ferro-elektrische halfgeleiders bestaan al wel, maar zijn moeilijk te produceren. Het idee van Schlom is ook niet nieuw, zo zegt Madsen. 'Unbeknownst to Schlom, it was proposed almost exactly the way he did it in a 2002 paper by Yale researchers. But it was a tough trick to pull off. First, strontium titanate would, if it could, react with silicon as it is being laid down. Also, strontium titanate doesn't have the same structure as the silicon, making it difficult to lay down by epitaxy. Finally, it isn't even ferroelectric in its natural state'. Schlom's hoofdondersoeker, Maitri Warusawithana, controleerde echter zeer zorgvuldig de hitte en de hoeveelheid zuurstof terwijl hij de film van het siliconensubstraat combineerde, waarmee hij de reactie van de materialen verhinderde. 'Even better', zo zei hij, 'in laying the film on top of the silicon crystal, the film takes on the shape of the crystal and gets squeezed, ever so slightly. And when strontium titanate is squeezed, it becomes ferroelectric'. Schlom en Warusawithana zijn voorzichtig; ze wijzen erop dat ze nog geen transistor gemaakt hebben en dat er nog heel veel fout kan gaan in dat proces. Maar het vervolg van het onderzoek zal aangeven of de hoop van een ferro-electrische chip uiteindelijk haalbaar is.
