Onderzoekers van de Peking Universiteit hebben een doorbraak bereikt die de traditionele siliciumchips achter zich laat. Hun nieuwe transistor, gebaseerd op bismut, is niet alleen 40% sneller dan de nieuwste 3-nanometer chips van Intel en TSMC, maar verbruikt ook 10% minder energie. Dit zou de halfgeleiderindustrie drastisch kunnen veranderen.
De nieuwe transistor, ontwikkeld door een team onder leiding van professor Peng Hailin, vormt een radicale breuk met bestaande technologieën. Waar de afgelopen decennia de focus lag op het verkleinen en verfijnen van siliciumcomponenten, introduceert deze innovatie een geheel nieuwe materiaalkeuze. “Als traditionele chipinnovaties een ‘kortere route’ zijn, dan is onze ontwikkeling vergelijkbaar met het wisselen van rijbaan,” aldus Peng.
Deze omslag komt op een belangrijk moment. Siliconenchips lopen tegen fysieke beperkingen aan, vooral bij extreem kleine structuren. Miniaturisatie zorgt voor toenemende energieverliezen en warmteontwikkeling. De bismut-gebaseerde transistor biedt een oplossing zonder deze beperkingen.
#PKUResearch First in the world!🌍 Innovation in transistors done by #PekingUniversity catapults the development of chip technology to the bleeding edge!
— Peking University (@PKU1898) February 23, 2025
Prof. Peng Hailin of the College of Chemistry and Molecular Engineering and Researcher Qiu Chenguang of the School of… pic.twitter.com/JHY5SN3Qg9
Hoe bismut de halfgeleiderindustrie kan transformeren
Het onderzoeksteam ontwikkelde een geavanceerde gate-all-around field-effect transistor (GAAFET), een moderne chipstructuur die de beperkingen van de klassieke FinFET-technologie omzeilt. FinFET, dat sinds 2011 door Intel wordt gebruikt, maakt gebruik van een ‘vin’-achtige structuur om de stroom te geleiden. In plaats daarvan kiest de GAAFET voor een ontwerp dat meer contact mogelijk maakt tussen de transistor en zijn geleidingskanaal. Dit verhoogt de elektrische geleiding en vermindert weerstand.
Om de prestaties verder te optimaliseren, richtten de onderzoekers zich op tweedimensionale halfgeleidermaterialen. Deze materialen, slechts enkele atomen dik, hebben een hogere elektronenmobiliteit dan silicium. Tot nu toe waren 2D-materialen lastig in te zetten voor transistors vanwege structurele beperkingen, maar het team wist deze hindernissen te overwinnen met speciaal ontwikkelde materialen: Bi2O2Se als halfgeleider en Bi2SeO5 als hoog-dielectricum oxidemateriaal.
De voordelen van deze materiaalkeuze zijn indrukwekkend:
- Minder energieverlies: Dankzij een hoog-dielectricum structuur wordt energieverlies tot een minimum beperkt.
- Lagere spanningseisen: De transistor kan op ultralage spanning werken, wat energie bespaart.
- Hogere snelheid: Elektronen kunnen soepeler en met minder weerstand stromen, wat leidt tot snellere schakelsnelheden.
Doorbraken onder druk van sancties
Interessant is dat deze innovatie deels voortkomt uit geopolitieke druk. Door Amerikaanse sancties heeft China beperkte toegang tot de nieuwste siliciumgebaseerde technologieën. Dit heeft onderzoekers ertoe aangezet alternatieve paden te verkennen. “Hoewel deze koers deels gedwongen is, dwingt het ons ook om innovatie vanuit nieuwe perspectieven te benaderen,” zegt Peng.
Het team heeft hun transistor met succes getest en geverifieerd via geavanceerde density functional theory (DFT)-berekeningen. Deze analyses bevestigden dat het interface tussen Bi2O2Se en Bi2SeO5 minder defecten vertoont dan bestaande halfgeleider-oxide interfaces, wat leidt tot een soepelere elektronenstroom en minder stroomverlies.
Met deze veelbelovende resultaten werkt het team nu aan opschaling. Ze hebben al functionele logische eenheden gebouwd met hun transistoren, wat aantoont dat de technologie geschikt is voor praktische toepassingen. De vraag is nu of deze bismut-gebaseerde chips commercieel levensvatbaar kunnen worden.
