Kleiner, vor Kälte schützender, intelligenter

Professor Daniel Hiller in de technische ruimte onder het centrale cleanroomlaboratorium.

Voor KI-datacenters of quantumcomputers moeten nano-transistors steeds kleiner, beter koelbaar en efficiënter worden. Hoe ze in de toekomst kunnen worden vervaardigd met nanodraden en kwantumfysica, legt professor Daniel Hiller uit in het interview. Als door de DFG gefinancierde Heisenberg-hoogleraar doet hij sinds 2021 onderzoek en onderwijs aan het Instituut voor Toegepaste Fysica van de TU Bergakademie Freiberg. Na een positieve evaluatie is Hiller per 1 augustus 2026 officieel benoemd tot hoogleraar voor Fysica van kwantummaterialen.

We hebben ze nodig voor fotovoltaïek, transistors voor computerchips, LED's, beeldsensoren of stralingsdetectoren. Maar wat zijn eigenlijk halfgeleiders?

Halfgeleiders heten zo omdat hun elektrische geleidbaarheid ligt tussen die van isolatoren, zoals glas, en geleiders, zoals metalen. Het is vooral belangrijk dat de geleidbaarheid van halfgeleiders doelgericht kan worden beïnvloed – een cruciaal voordeel voor toepassingen in fotovoltaïek en micro-elektronica. De fysica kan de eigenschappen van de halfgeleermaterialen beïnvloeden door gerichte veranderingen in het atomaire kristalrooster; dat noemen we verontreinigingsdopering.

Bij het doperen van halfgeleermaterialen worden elektronen ingebracht of „weggenomen“. Want alleen een vrij elektron, dat niet gebonden is in de kristalstructuur, kan stroom transporteren. Voor het halfgeleider silicium kunnen dergelijke conventionele verontreinigingsdopings bijvoorbeeld fosfor, arseen of boor zijn.

Voor nieuwe toepassingen – vooral bij kwantumcomputers – moeten de microchips nu steeds kleiner, beter koelbaar en efficiënter worden, toch?

Precies. De eis is een kleiner volume van de op de microchips aangebrachte transistors, terwijl de prestaties verbeteren en het stroomverbruik afneemt! Sinds ongeveer tien jaar kunnen transistors die met klassieke verontreinigingsdopering worden gemaakt, niet meer verder worden geminiaturiseerd. Hun karakteristieke fysieke afmetingen stagneren bij 15-20 nanometer.

Een andere uitdaging vormen kwantumcomputers, die meestal dicht bij het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius moeten worden bedreven om de qubits stabiel te houden. Qubits zijn de basiseenheid van informatie die wordt gebruikt voor het coderen van data in kwantumcomputing. Om gegevens uit te wisselen met een kwantumcomputer, wordt echter nog steeds gewerkt met beproefde elektronica – die niet is ontworpen voor werking bij deze temperaturen. Omdat de vrije ladingstransporten uit de conventionele dopering van de halfgeleider bij deze temperaturen bevriezen, gaat de controle over de geleidbaarheid verloren.

Welke oplossingen biedt de kwantummechanica voor deze nieuwe eisen?

Hier komt de door ons onderzochte modulatie-dopering in beeld. Daarbij worden de dopatomen, eenvoudig gezegd, niet in het silicium zelf ingebouwd, maar in ultradunne siliciumdioxide-lagen aan het oppervlak ervan. Om ondanks hun isolerende eigenschappen toch een ladingsoverdracht mogelijk te maken, maken we gebruik van nanodraden en het zogenaamde kwantummechanische tunnelen. Omdat hierbij de kristalstructuur van de halfgeleider ongewijzigd blijft, blijft de mobiliteit van de ladingstransporten behouden, wat gunstig is voor de energie-efficiëntie van de componenten. Bovendien blijft de geleidbaarheid ook bij extreme kou behouden.

In samenwerking met verschillende partners konden we al eerste modulatiedotende transistors succesvol testen. Er is echter nog grote behoefte aan onderzoek en ontwikkeling om ultrakleine transistors met geoptimaliseerde modulatie-dopering te realiseren.

Hoe klein is „ultraklein“ voor dit doel?

Als het lukt om transistorlengtes van minder dan 10 nanometer te bereiken, openen zich geheel nieuwe mogelijkheden voor de energie-efficiëntie van het rekenen. Ter vergelijking: een gemiddeld menselijk haar is met 0,1 millimeter ongeveer 10.000 keer dikker.

De nieuwe processen voor modulatie-dopering worden uitgevoerd in het centrale cleanroomlaboratorium van de TU Bergakademie Freiberg. Wat maakt het werk daaraan zo spannend?

Ik werk zelf minstens één keer per week in de cleanroom aan de modulatie-dopering met verschillende dunne laagmaterialen en begeleid studenten en promovendi. Terwijl we samen met een collega in Canberra, Australië, via computersimulaties de eigenschappen van de nieuwe halfgeleideroppervlakfunctionaliseringen zeer betrouwbaar kunnen berekenen en modelleren, hebben we het experiment nodig om de voorspellingen te verifiëren. In de cleanroom bouwen we de materialen volgens het berekende „recept“ op en meten we vervolgens de geleidbaarheid of ladingsconcentraties. Daarna trekken we conclusies over wat er daadwerkelijk in het materiaal is gebeurd – en gebruiken we deze inzichten voor de verdere ontwikkeling van de processen.

Voor de productie van ultrakleine nano-transistors krijgt de toegepaste fysica binnenkort trouwens een bijzonder apparaat: een elektronenstraal-lithografie systeem. Het werken aan de nieuwe materialen wordt dan ongetwijfeld nog spannender!