Cruciaal voor transistoren, de minuscule schakelaars die met honderden miljoenen tegelijk op een chip zitten, is het precies beheersen van de elektrische stroompjes. Daarvoor zijn geleiders, halfgeleiders en isolatoren nodig. Geleiders zijn doorgaans metalen, zoals aluminium en koper. Zuiver silicium is een halfgeleider, maar in de vorm van siliciumoxide (zand) is het een isolator. Juist die twee vormen maken silicium een ideaal materiaal voor chips. Door silicium met zuurstof te beschieten, maak je er oxide van – de halfgeleider wordt isolator. Bovendien is silicium alom te vinden en dus relatief goedkoop, hoewel het vervaardigen van plakken zuiver silicium uit zand een bewerkelijk proces is.

Silicium heeft echter ook nadelen. Daarvan zijn er twee urgent. Het eerste probleem is dat er een bovengrens is aan de snelheid waarmee elektronen door een rooster van siliciumatomen heen bewegen. Het tweede en voornaamste probleem is dat te dunne laagjes siliciumoxide niet zo goed meer isoleren. Stroom lekt dan weg uit de transistor, wat niet alleen de juiste werking ondermijnt, maar ook voor hitte-overlast zorgt. ‘Een chip is vandaag de dag een kookplaat en benadert de hitteproductie van een kernreactor’, legde Intel-woordvoerd Bill Calder ooit het probleem uit aan het webmagazine Siliconvalley.com.

Een truc om het eerste probleem te verhelpen heet ‘strained silicon’. Het uitgangspunt daarbij is een rooster van silicium en germanium (SiGe). Germanium is in het periodiek systeem der elementen de grote broer van silicium. Het gevolg is dat in een SiGe-rooster de atomen verder uit elkaar liggen. Als je bovenop dat rooster silicium atomen opdampt, komen die ook verder uit elkaar te liggen: net als in een eierdoos worden de atomen door de laag eronder op hun plek gedwongen.

In dat ruimere atoomrooster kunnen elektronen sneller bewegen, met als gevolg snellere chips. Onderzoekers van IBM, dat strained silicon uitvond, vonden een methode om na het opdampen van silicium de SiGe-onderlaag weer te verwijderen. Dat is interessant, omdat SiGe warmte slecht geleidt en dus het risico van oververhitting in de chips verhoogt.

Het probleem van de lekkende isolator is niet met een trucje te verhelpen. Er moeten compleet nieuwe materialen, met betere isolerende eigenschappen, gevonden worden. De huidige favoriet is hafniumoxide, waaraan maar liefst zeven papers gewijd zijn op de IEDM. Hafnium is nummer 72 in het periodiek systeem en heeft net als silicium en germanium de eigenschappen van een halfgeleider.

Helaas is hafniumoxide niet een-twee-drie compatibel met het silicium waar de rest van een normale transistor van gemaakt is. Het materiaal heeft namelijk de neiging om tijdens het aanbrengen het omliggende silicium te verdringen, waardoor het elektronen gaat tegenhouden waar dat helemaal niet de bedoeling is.

Intel heeft een methode om dit effect tegen te gaan, namelijk door hafniumoxide te combineren met strained silicon. De snelheidswinst van de laatste wordt dan weliswaar teniet gedaan, maar het levert wel een transistor op die vele malen minder elektriciteit lekt dan een exemplaar met siliciumoxide als isolator.

‘Hafniumoxide en andere zogenoemde high-k dielectrics zijn veelbelovend, maar brengen ook wat nadelen met zich mee bij de miniaturisatie van transistoren, zoals dikkere onderdelen’, zegt prof.dr. Joachim Burghartz, directeur van het Delftse chipslaboratorium Dimes. ‘Een probleem met strained silicon is dat een microprocessor slechts één fataal defect per vierkante centimeter mag hebben. De bufferlaag onder het oppervlak van strained silicium zit vol defecten.’

Waar Intel silicium als basis behield, besloten onderzoekers van Stanford University het element maar helemaal aan de kant te schuiven. Hun transistor bestaat uit germanium, met hafniumoxide of zirkoonoxide als isolator. Collega’s van een andere Amerikaanse universiteit, MIT, wierpen zich ook op germanium en slaagden erin een ‘strained’ variant te maken.

Onlogisch is de keuze voor germanium niet. In de oertijd van de transistor was namelijk al bekend dat deze halfgeleider de gunstigste eigenchappen heeft. Omdat germaniumoxide niet stabiel is, ging men in de jaren zestig over op silicium met het bijbehorende oxide. Maar nu siliciumoxide uit de gratie is, ligt het voor de hand op germanium terug te grijpen.

Germanium is echter niet het enige alternatief. Al langere tijd is galliumarsenide in beeld. Dit materiaal levert snellere transistoren op dan silicium en kan bovendien elektromagnetische straling uitzenden. Om die laatste reden wordt het gebruikt in lasers en antennes van mobiele telefoons. Helaas geleidt het erg slecht warmte, zodat miniaturiseren lastig is. Als chipmateriaal voor supercomputers heeft het dan ook afgedaan en er worden weinig woorden meer aan vuil gemaakt tijdens de IEDM.

Dat geldt niet voor de absolute snelheidskampioen van het moment, indiumfosfide, net als galliumarsenide een combinatie van elementen uit de derde en vijfde kolom van het periodiek systeem. De University of Illinois presenteert tijdens de IEDM een transistor van dit materiaal met een kloksnelheid van 502 GHz – een record voor een transistor met normaal ontwerp.

‘Indiumfosfide haalt die snelheid dankzij de hoge mobiliteit van de elektronen’, vertelt Walter Ganzevles van het Houtense bedrijf ThreeFivePhotonics, dat gespecialiseerd is in optische schakelchips voor de telecom. ‘Bovendien hebben elektronen in indiumfosfide weinig last van onderlinge botsingen.’
Ondanks de mooie eigenschappen verwachten experts dat chips van indiumfosfide voorlopig een niche-markt zullen blijven, vooral interessant als schakelaars in glasvezelnetwerken. Dezelfde beperking geldt ook voor galliumnitride, siliciumcarbide en diamant, drie andere halfgeleiders die voor specifieke toepassingen aantrekkelijk zijn. Transistors van galliumnitride, bijvoorbeeld, blijken bij uitstek geschikt als efficiënte signaalversterkers. Dat is bijvoorbeeld aantrekkelijk voor satellieten, want die moeten met een beperkte hoeveelheid energie signalen over grote afstanden verzenden.

Silicium verliest dus terrein, maar uitgeteld is het nog lang niet. Intel en IBM lieten tijdens de IEDM van 2001 al experimentele transistorontwerpen zien die snelheden boven de TeraHertz (1000 GHz) scoorden. Silicium, met allerlei toevoegingen, was daarbij de basis. De verwachte absolute bovengrens voor de snelheid is overigens 30 THz, zo rekenden IBM-onderzoekers indertijd voor.

Welke van de talloze opties het meeste kans maakt, hangt uiteindelijk niet zozeer af van de theoretische mogelijkheden, als wel van de fabricage. Fabrikanten als Intel en IBM willen geen radicale vernieuwing, maar telkens kleine stapjes, om zo min mogelijk risico’s te lopen bij het aanpassen van hun miljarden kostende productielijnen. Bovendien zal silicium zich één voordeel nooit laten afpakken: waar je voor andere elementen een mijn nodig hebt, valt silicium met bakken tegelijk op te scheppen op het eerste het beste strand.