Bell Labs ‘teelt’ halfgeleiders van minuscuul formaat

Schon is van huis uit natuurkundige en geeft leiding aan een multidisciplinair team, met onder anderen chemici en halfgeleiderexperts. De schakelingen zijn even groot als een organisch molecuul en bij de productie hoeven geen extreme condities te worden opgewekt. “Wij laten onze circuits gewoon groeien, zonder heel hoge temperaturen of het gebruik van een vacuüm. Ook hoeven we geen extreem schone omgeving (een zogeheten clean room) te gebruiken. Dit maakt de productie van deze schakelingen simpel en vooral goedkoop”, aldus Schon. De schakelingen groeien op een gouden plaatje dat is gemonteerd op een silicium substraat. “Het materiaal hecht zich vanzelf aan de gouden structuurtjes, daar hoeven we verder niets aan te doen. Inmiddels hebben we een inverter gemaakt, een schakeling die een logische ‘1’ in een ‘0’ omzet en andersom. De tests die we hebben uitgevoerd zijn zeer bemoedigend. Het zal niet lang meer duren voordat we een echte transistor op molecuulschaal kunnen maken”, voorspelt Schon. Om een transistor te kunnen maken moet een stof worden gevonden die zich gedraagt als een zogeheten n-channel uit de halfgeleiderwereld. Het materiaal van de inverter, ook wel NOT-poort geheten, gedraagt zich als een p-channel halfgeleider. Om een transistor te maken zijn beide typen materiaal noodzakelijk. Bij de productie van de circuits worden zogeheten thiolen gebruikt, verbindingen op basis van zwavel. “Dat noopt ons wel voorzichtig te zijn bij de fabricage. De stoffen kunnen een belasting voor het milieu vormen. Maar met een paar simpele maatregelen kun je dat gevaar afwenden”, zegt Schon. Toepassingen De techniek kan, wanneer deze is uitgerijpt, worden gebruikt voor kleine flexibele schermpjes met een zeer hoge resolutie. Ook kan de techniek dienen voor het maken van smart cards. “Maar”, zegt Schon, “zover zijn we nog niet. Het is heel moeilijk om te voorspellen hoeveel tijd het kost om een wetenschappelijke doorbraak zoals deze om te vormen tot een commercieel product. Het vereist nog zeer veel onderzoek, deels fundamenteel en deels geënt op de praktijk.” De huidige ontwikkeling heeft veel weg van een andere uitvinding die Bell Labs in 1947 deed: de transistor. Van dat onderdeel werd het potentieel in het begin ook niet echt onderkend. Het duurde een jaar of tien, voordat de eerste praktische toepassingen werden gevonden. Nu is er van de organische schakeling nog maar een enkel exemplaar gemaakt, maar in de toekomst kunnen er miljoenen tegelijk geproduceerd worden. “Omdat de moleculen zelf groeien, hoef je geen ingewikkelde lithografische technieken te gebruiken”, zegt Schon. Schon en zijn team zijn deze week officieel naar buiten gekomen met hun nieuwe vinding, via een artikel in het gezaghebbende blad Nature. De ontwikkeling betekent tevens een verlenging van de geldigheidsduur van de wet van Moore, die stelt dat computercircuits iedere achttien maanden half zo klein worden. De deskundigen dachten dat deze wet door fysieke beperkingen al aan zijn eind was, omdat ‘moleculaire transistoren’ onmogelijk in silicium gemaakt kunnen worden. “Wij hebben aangetoond dat het wel degelijk kan, alleen niet met gebruik van uitsluitend silicium”, aldus Schon. Door de kleine afmetingen van de circuits kunnen ze ook zeer dicht opeengepakt worden. Dat duidt erop dat de schakelingen ook zeer snel kunnen werken. Schon: “We hebben metingen verricht en daaruit blijkt dat onze ‘gegroeide’ schakelingen net zo snel zijn als hun tegenhangers uit de siliciumwereld. Ik baseer dat op de gemeten ladingsmobiliteit binnen het materiaal. Overigens is snelheid bijzaak, ons materiaal maakt dingen mogelijk die met silicium niet kunnen, zoals flexibele schakelingen.”