Kubisch boorarsenide: de beste halfgeleider ooit en de opvolger van silicium?

Wetenschappers van MIT en de University of Houston ontdekten een materiaal met betere elektronische eigenschappen dan silicium. Een doorbraak voor de elektronicawereld?

Silicium is het meest voorkomende element op aarde – én de basis van al onze elektronica, van computers, radio’s en televisies tot zonnepanelen. Maar mogelijk krijgt de halfgeleider er een serieuze concurrent bij. Want onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en University of Houston hebben een stofje ontdekt dat beter presteert dan silicium: kubisch boorarsenide. De groep onder leiding van Gang Chen schrijft erover in het vaktijdschrift Science.

Beperkingen van silicium

Halfgeleiders zijn stoffen die qua geleiding van elektronen tussen een isolator en een supergeleider in zitten. Ze geleiden een beetje, maar niet extreem goed. Ideaal voor elektronica wanneer het gecombineerd wordt met geleidende elementen op de juiste plekken. Maar hoewel silicium al sinds eind vorige eeuw in zo’n beetje elk elektronisch apparaat wordt gebruikt, kent het nogal wat beperkingen. Zo kan het weliswaar elektronen doorlaten waar nodig, maar kan het minder goed overweg met zogenoemde gaten. Zo’n ‘gat’ is een positieve lading die ontstaat als er een elektron is weggehaald. Ook die gaten zijn van belang voor een goede werking van elektronica.

Verder is silicium slecht in het afvoeren van warmte. Een laptop wordt bijvoorbeeld vrij snel warm van het werken en heeft een goede koeling nodig om niet oververhit te raken. De elektronicawereld kent uiteraard deze beperkingen en kan daar ondertussen ook mee om, maar het is nog niet ideaal.

Hogere scores

Nu komen Chen en zijn collega’s dus met een goedje dat mogelijk wél de ideale halfgeleider voor elektronica zou kunnen zijn. Al een paar jaar geleden berekenden ze theoretisch dat kubisch boorarsenide betere elektronische eigenschappen zou hebben dan silicium. Door gebruik te maken van geavanceerde ultrasnelle lasers hebben ze dit nu ook experimenteel weten te bevestigen. De boorarsenide scoorde iets hoger dan silicium op het gebied van elektron- en ‘gat’-vervoer en zeker tienmaal hoger op warmteafvoer.

Klinkt allemaal heel mooi natuurlijk, maar het gaat hier nog maar om zeer kleine hoeveelheden boorasenide die nét uniform genoeg gemengd waren om er betrouwbare data uit te halen. De taak van het team is nu om een manier te bedenken de productie van het goedje op te voeren voor grootschaligere tests. Silicium had decennialang de tijd om op te klimmen tot hét hoofdingrediënt van onze elektronische apparaten. Boorarsenide zal dus nog wel wat jaren nodig hebben om een serieus alternatief te vormen. Maar het begin is er misschien wel.

Indrukwekkend

‘Ik had eerlijk gezegd nog nooit van kubisch boorarsenide gehoord’, vertelt elektrofysicus Ray Hueting van de Universiteit Twente aan KIJK Magazine. ‘Dit is toch wel een eyeopener. Vooral vanwege het feit dat deze stof schijnbaar goede mobiliteitswaarden heeft voor zowel elektronen als gaten. Dat is essentieel voor het goed functioneren van de digitale logica in CMOS-technologie (bijvoorbeeld gebruikt bij beeldschermen, red.).’

Ook elektrofysicus Jan Kees Maan van de Radboud Universiteit vindt de nieuwe halfgeleider interessant, maar is sceptisch. ‘Al tientallen jaren verschijnen artikelen die nieuwe materialen aankondigen als ‘beter alternatief’ voor silicium. Maar ondanks alle nadelen heeft silicium een enorm technologisch voordeel wat alle nadelen in de schaduw doen staan. Namelijk dat het makkelijk te oxideren is, waardoor een goede isolator ontstaat. Alleen al vanwege dit aspect is silicium mijn inziens onverslaanbaar.’

De zoektocht naar een opvolger voor silicium loopt inderdaad al tientallen jaren. In 2010 was het nog een en al grafeen dat de klok sloeg: een vorm van koolstof. ‘Over 50 jaar zal men de siliciumperiode beschouwen als het stenen tijdperk van de elektronica’, zo vertelde Walter de Heer, een Nederlandse natuurkundige van het Georgia Institute of Technology in 2010 nog aan Data News.

Bron: KIJK Magazine