Nieuw type transistor verlaagt energieverbruik chips

Nieuw type
transistor verlaagt
energieverbruik chips
Slim knijpen vermindert lekstroom en energieverbruik
Wetenschappers van onderzoeksinstituut Mesa+ van de Universiteit Twente hebben samen met het bedrijf
SolMateS een nieuw type transistor ontwikkeld om het energieverbruik van microchips te verlagen. Het
basiselement van hedendaagse elektronica, de transistor, heeft last van een aanzienlijke lekstroom. Door
de transistor te omhullen met een schilletje van een piëzo-elektrisch materiaal, een materiaal dat vervormt als er spanning op staat, wisten de onderzoekers deze lekstroom met een factor vijf te verlagen
(vergeleken met een transistor zonder dat materiaal).
L
ekstroom in transistoren is een van
de oorzaken van het leegraken van
de accu’s van draagbare elektronica, zoals smartphones en laptops. Met het
nieuwe type transistor kan of de lekstroom
(terwijl de transistor dus niet actief is), óf
het energieverbruik (terwijl de transistor
actief is) worden aangepakt. In het laatste
geval is naar schatting een winst rond de
tien procent in energieverbruik te behalen.
Slim knijpen
De truc schuilt in een piëzo-elektrisch materiaal dat aan de buitenkanten van de tran-
Schets van het prototype
van de transistor. De
transistorstroom loopt
door kleine siliciumbalkjes,
die zijn omhuld met een
lagenpakket van geleiders
en piëzo-elektrisch materiaal. De geleiders regelen
de hoeveelheid mechanische spanning, en ook de
hoeveelheid elektronen in
het silicium. Zodoende kan
de stroom aan- en uitgeschakeld worden.
22
elektronica 6/7-2014
sistor wordt aangebracht. Het piëzo-elektrische materiaal zet uit als je er spanning
op zet en drukt het silicium in de transistor
samen met een druk van ongeveer 10 000
atmosfeer. Deze hoge druk zorgt er voor dat
elektronen sneller door de transistor stromen. Door ‘slim in de transistor te knijpen’
kun je microchips dus efficiënter maken.
Ook bestaande transistoren worden overigens al onder hoge druk gezet om de efficiëntie te verbeteren. Hierbij is de druk
echter permanent ingebakken, wat de
lekstroom weer verhoogt. In het prototype
van de UT wordt de transistor alleen onder
druk gezet als dat nodig is en dat scheelt
aanzienlijk. Daarmee wordt de elektrische
spanning, nodig om de transistor te laten
schakelen van aan naar uit, gedeeltelijk
vervangen door mechanische spanning.
Grofstoffelijk
Volgens dr.ir. Ray Hueting van de vakgroep
Halfgeleidercomponenten gaat het om een
eerste prototype dat al een energiebesparing kan opleveren. “Het ontwerp is nog
redelijk grofstoffelijk. Het ligt dus voor de
hand dat bij doorontwikkeling van de transistor nog een belangrijke efficiëntieslag
halfgeleiders
Bovenaanzicht van de opwaartse beweging van een piëzofet met 5 parallelle silicium balkjes (ook wel
‘fins’ genoemd) ten gevolge van het piëzo-elektrisch effect. De groene delen bewegen niet, de rode
wel, wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd over het piëzomateriaal.
gemaakt kan worden.”
Het werkingsprincipe van deze transistor
was in 2013 theoretisch voorspeld door dezelfde onderzoeksgroep. Maar dat de transistor een succes zou zijn, stond van tevoren bij lange na niet vast. Reden hiervoor is
dat piëzo-elektrische materialen en silicium
moeilijk te combineren zijn. De onderzoekers hebben dit opgelost door tussen beide
materialen een bufferlaag aan te brengen.
Onderzoek
Het onderzoek is uitgevoerd door Buket
Kaleli, Ray Hueting en Rob Wolters van de
Universiteit Twente. Medewerkers van SolMateS, een spin-off bedrijf van de Universiteit Twente, brachten de piëzo-elektrische
laag op de transistor aan. Het onderzoek
is financieel mede mogelijk gemaakt door
Technologiestichting STW.
Het artikel ‘Integration of a Piezoelectric
Layer on Si FinFETs for Tunable Strained
Device Applications’, waarin het prototype van de transistor wordt gepresenteerd,
verscheen in het juninummer van het wetenschappelijke tijdschrift Transactions on
Electron Devices, toonaangevend op het
gebied van transistoronderzoek. «
Grafeen uit de spuitbus
Met een simpele, goedkope spraymethode kunnen productiefouten
in een grafeenfilm worden gerepareerd. Ook kunnen met deze methode grafeenlagen van hoge kwaliteit worden aangebracht op diverse
substraten, aldus onderzoekers van
de University of Illinois in Chicago
en de Korea University.
Het tweedimensionale wondermateriaal grafeen bestaat uit een
enkele laag koolstofatomen en is
sterk, transparant en een uitstekende elektrische geleider. Het kan
worden gebruikt in uiteenlopende
toepassingen, zoals voor het versterken van kunststoffen, waarbij
ze tegelijkertijd elektrische eigenschappen krijgen, of voor het maken van compactere en snellere IC’s
en betere touchscreens. Hoewel
het aantal toepassingen van grafeen onbeperkt lijkt, is er nog geen
makkelijke manier om op te schalen
van microscopische naar grootschalige toepassingen zonder defecten
te introduceren, zegt professor Alexander Yarin van de UIC. “Normaliter wordt grafeen geproduceerd in
kleine vlokken en zelfs daarin zitten
defecten”, aldus Yarin. En erger
nog: als je probeert om ze aan te
brengen op een groot oppervlak nemen de defecten toe en verliest het
grafeen zijn ‘magie’- zijn bijzondere
eigenschappen.
Spray-depositiesysteem
Yarin zocht eerst naar een oplossing om grafeenvlokken aan te
brengen in een consistente laag
zonder klonten of open plekken.
Hij richtte zich tot professor Sam
S. Yoon, hoogleraar werktuigbouwkunde op de Korea University. Yoon deed onderzoek met een
kinetisch spray-depositiesysteem
dat gebruik maakt van de supersonische versnelling van druppels
door een De Laval-straalpijp (een
convergent divergente straalpijp).
Hoewel Yoon met andere materialen werkte, dacht Yarin dat deze
methode ook geschikt zou zijn voor
de depositie van grafeenvlokken in
een egale laag. Het supersonische
spraysysteem van Yoon en Yarin
produceert uiterst kleine druppeltjes van een grafeenoplossing,
die zich gelijkmatig verspreiden
en snel verdampen waardoor de
neiging tot samenklonteren sterk
wordt gereduceerd.
Verrassing
Maar tot verrassing van de onderzoekers verdwenen als neveneffect van de spraymethode ook de
inherente defecten in de grafeenvlokken. Het resultaat was een grafeenlaag van hogere kwaliteit, zoals
bleek uit de analyse door een andere medewerker, Suman Sinha-Ray,
senioronderzoeker bij United States
Gypsum en adjunct-professor werktuigbouwkunde op de UIC. De onderzoekers demonstreerden dat
door de energie waarmee het substraat wordt geraakt, het grafeen
rekt en de rangschikking van de
koolstofatomen herstructureert tot
perfecte hexagonen van foutloos
grafeen. “Het is ongeveer hetzelfde als Silly Putty tegen een muur
gooien - het rekt en verspreidt
zich gelijkmatig”, zegt Yarin. “Dat
gebeurt volgens ons ook met de
grafeenvlokken. Zij komen aan met
een enorme kinetische energie en
rekken in alle richtingen”.
De nieuwe depositiemethode,
waarbij grafeen zijn defecten tijdens het aanbrengen herstelt, is
goedkoop, eenvoudige en kan op
elk substraat worden uitgevoerd
zondaar dat nabehandeling nodig is.
Yarin en zijn Koreaanse collega’s hopen hun succesvolle samenwerking
voort te zetten en de ontwikkeling
van toepassingen van grafeen op
industriële schaal te onderzoeken.
elektronica 6/7-2014
23

Download Report