Paul van Gerven
14 March 2008

Is de koolstofnanobuis echt de gedroomde bouwsteen van de nano-elektronica? Jazeker, denkt Greg Schmergel van de Amerikaanse start-up Nantero. Zijn bedrijf wilde niet wachten op zelfgeassembleerde elektronica en gebruikt conventionele CMos-processen om Nanoram te maken. Of het nieuwe geheugentype een hit gaat worden, is moeilijk te zeggen.

Eerder dit jaar besprak deze rubriek grafeen, de min of meer vlakke ’koolstoflakens‘ waarin de atomen in een honingraatstructuur zijn gerangschikt. Grafeens opgerolde broertje, de koolstofnanobuis (carbon nanotube, CNT), mag in Binnenstebuiten ook niet ontbreken. Deze vorm van koolstof duikt immers regelmatig op in het nieuws, waarin hij niet zelden wordt gepresenteerd als dé nano-elektronische bouwsteen van de toekomst. In deze editie legt CEO Greg Schmergel van CNT-start-up Nantero uit waarom hij daar wel in gelooft. Volgende keer komt onderzoeksleider en nano-elektronicaexpert Phaedon Avouris van IBM‘s Nanoscale Science-groep aan het woord.

Eerst een beetje historie. Het toeval wil dat Nederland binnen zijn landsgrenzen een ware pionier in het CNT-onderzoek herbergt: Cees Dekker. De Delftse hoogleraar is bij het grote publiek misschien meer bekend vanwege zijn bijdrage aan het Intelligent Design-debat, maar als onderzoeker bestudeert hij al jaren elektrische geleiding in losse moleculen. In de jaren negentig gebruikte hij daar onder andere CNT‘s voor. Het legde hem geen windeieren: Dekker heeft een indrukwekkende lijst publicaties in gerenommeerde tijdschriften als Nature en Science over dit onderwerp.

Een van Dekkers huzarenstukjes was de ontdekking dat de buisjes zogenaamde ballistische geleiders zijn. Uit goed gefundeerde theoretische overwegingen werd algemeen aangenomen dat geleiding door een eendimensionale draad niet mogelijk is. De onderzoeksgroep van Dekker aan het Kavli Institute of Nanoscience vond dat CNT‘s een uitzondering zijn. ’Het is het enige molecuul dat geleidt als een metaal. Men spreekt wel eens van geleidende polymeren, maar dat zijn halfgeleiders. Koolstofnanobuizen zijn nog altijd de enige moleculaire metallische geleiders, ondanks het grote aanbod aan nanodraden van allerlei pluimage‘, vertelt Dekker.

In de jaren voor de millenniumwisseling maakte de hoogleraar vervolgens een single-molecule transistor en zelfs een logisch circuit met een CNT. Dit soort moleculaire elektronica is het walhalla van de nanotechnologie, die de wet van Moore overeind moet houden wanneer lithografie de halfgeleiderindustrie in de steek laat. Maar, weet ook Dekker, de massaproductie daarvan is een groot probleem. ’Wij deponeerden gewoon willekeurig CNT‘s op een oppervlak met elektrodes en gingen op zoek naar een plekje waar de buisjes precies lagen zoals we wilden. Dat is natuurlijk niet geschikt om de miljarden schakelingen aan te brengen op een chip.‘

 advertorial 

The waves of Agile

Derk-Jan de Grood created a rich source of knowledge for Agile coaches and leaders. With practical tips to create a learning organization that delivers quality solutions with business value. Order The waves of Agile here.

Toch is het wel mogelijk om CNT‘s als schakelelementen te integreren in bestaande top-down CMos-procestechnologie. Dekker ziet daar echter niet veel toegevoegde waarde in. Over de bottom-upaanpak, waarin nanostructuren zichzelf in complexe patronen organiseren, is hij enthousiaster. ’Maar dat is een kwestie van de lange adem. We hebben nog maar minimale controle over de intermoleculaire krachten die de zelfassemblage sturen.‘ Een echt academisch onderzoeksgebied dus.

Dekker heeft de CNT‘s inmiddels zo‘n beetje vaarwel gezegd. Hij benadrukt dat hij die keuze maakte vanuit een positieve argumentatie. ’Ik wilde gaan onderzoeken hoe het leven werkt.‘ Dekker doet nu vergelijkbare research, maar dan ook met moleculen van biologische oorsprong, zoals DNA of eiwitten. ’Maar aan CNT‘s zijn nog een hoop eer te behalen‘, verzekert de winnaar van de Spinoza-premie in 2003. ’Eigenlijk was het gekkenwerk om de nanobuizen op te geven.‘

Terabyte

Greg Schmergel zal Dekker op dat punt helemaal gelijk geven. Als CEO van ‘s werelds enige onderneming die zich exclusief bezighoudt met CNT-gebaseerde chips gelooft hij natuurlijk in de potentie van de buisjes. In tegenstelling tot Dekker is hij er echter van overtuigd dat ze niet uitsluitend toepasbaar zijn in een zelfassemblerend bottom-upconcept. Zijn bedrijf Nantero richt zich dan ook op het ontwikkelen van geheugenchips met behulp van koolstofnanobuizen en bestaande CMos-infrastructuur.

Nantero‘s Nanoram, of NRam, werkt volgens een elektromechanisch principe, waarin de geometrische structuur van CNT‘s het schakelende aan/uit-element vormt. In ’rust‘ liggen de buizen uitgestrekt over een ravijntje heen dat een dikke tien nanometer diep is. De mechanische stress van de CNT‘s is in deze toestand minimaal. Maar tegelijkertijd neemt de vanderwaalsenergie juist een relatief hoge waarde aan omdat de afstand tussen de bodem van de kloof en de buis te groot is. Bodem en buis wordt als het ware niet de kans gegund een vanderwaalsinteractie aan te gaan.

Onder invloed van een spanning buigt het midden van de CNT‘s echter in de richting van de bodem, die tevens een elektrode vormt. Daardoor neemt weliswaar de mechanische stress toe, maar beweegt de vanderwaalsenergie zich ook naar een minimum. Bij voldoende grote spanning raken de nanobuizen en de bodem elkaar. Op dat moment kan er dus een stroompje gaan lopen tussen buis en elektrode, waardoor de gestrekte en gebogen toestand van elkaar zijn te onderscheiden.

De truc van NRam is dat beide toestanden stabiel zijn te noemen. Hoewel de buis eigenlijk liever niet wil buigen vanwege de mechanische spanning, ontstaat bij voldoende buiging toch weer een relatief stabiele structuur dankzij de stabiliserende werking van de vanderwaalsinteractie. In jargon: de twee geometrische structuren zitten in een lokaal energieminimum en gaan zonder externe stimulans (een voltage) niet in elkaar over. Daarom kan een NRam-cel stabiel een 0 of een 1 opslaan.

Het experimentele geheugentype van Nantero heeft een aantal voordelen. ’De schakelsnelheid van NRam is superieur en ook het energieverbruik ligt ver beneden dat van andere geheugenchips. Door het mechanische karakter is het ook bestand tegen straling‘, weet Schmergel. Waar het zijn bedrijf echter met name om is te doen, ligt besloten in de naam. In Nantero vallen de woorden ’nano‘ en ’tera‘ te herkennen. ’Dat schetst onze ambitie om een terabyte-array te maken op een piepklein chipje‘, aldus de medeoprichter.

In theorie zijn inderdaad met nanoscopische objecten als CNT‘s hele hoge dichtheden te bereiken. Dat is tenslotte de essentie van moleculaire elektronica. Maar botst die ambitie niet met de typische top-downaanpak die Nantero voorstaat? De Amerikanen gebruiken immers conventionele CMos-technologie om NRam-chips te maken. ’Dat is een bewuste keuze. We willen aansluiten op de bestaande infrastructuur van fabs. Anders wordt ons geheugentype nooit geaccepteerd.‘

Toch heeft NRam volgens Schmergel een streepje voor op andere geheugentypes. ’NRam volgt de lithografie op de voet. Als je 22-nanometerstructuren kunt afbeelden, kun je er ook NRam-chips op 22 nanometer mee maken. Bij andere geheugensoorten is dat geen vanzelfsprekendheid.‘

Zand in de ogen

Uit een analyse van Isuppli-onderzoeker Mark Devoss blijkt inderdaad dat huidige geheugentechnologieën als DRam en flash met schalingsproblemen kampen (zie Binnenstebuiten in Bits&Chips 15). Voor DRam bijvoorbeeld is het einde in zicht: tegen 2011 bereikt dit vluchtige geheugen het 45-nanometerknooppunt. Zonder baanbrekende innovaties houdt het daar ook echt op, denken insiders. In die zin staat Nantero dus sterk: zolang de wafersteppers en –scanners steeds kleinere structuren blijven afbeelden, profiteert NRam daarvan mee. De concurrentie blijft vroeg of laat ergens steken.

Toch valt er ook wel wat af te dingen op het enthousiasme van Nantero. Het bedrijfje ligt dan ook regelmatig onder vuur. De meest gehoorde en fundamentele kritiek richt zich op de noodzaak om de CNT‘s in NRam uit te lijnen, oftewel te parallelliseren. Niet nodig, zegt Schmergel. ’Het maakt niet uit of de buizen loodrecht op de rand van de kloof staan of onder een hoek.‘ Wel nodig, zeggen critici. Het schakelvoltage zou bijvoorbeeld verschillen voor CNT‘s die niet precies een parallelle oriëntatie hebben aangenomen. Boze tongen beweren zelfs dat Nantero in de pers alignment bagatelliseert maar er in het geheim wél aan werkt. Dat zou de concurrentie zand in de ogen strooien.

Uit genoemde analyse van Isuppli blijkt verder dat voor flash goede hoop bestaat dat de technologie het 22-nanometerknooppunt gaat halen. Schmergel wimpelt ook dat weg. ’Leuk hoor, die roadmaps op papier. Ik moet het nog zien. Op basis van het aantal elektronen die een bit zouden moeten opslaan, zie ik een stevige kink in de kabel.‘ Schmergel wijst daarbij op de steun die hij uit onverwachte hoek krijgt, namelijk van geheugengigant Samsung.

In een plenaire sessie op de International Electron Devices-conferentie zei Chang-Gyu Hwang van Samsung inderdaad dat flashchips het lastig krijgen onder de 45 nanometer. Schmergel laat echter na erbij te vertellen dat de gelauwerde Koreaanse CEO daar ook wel een oplossing voor wist aan te dragen. Hwang zet namelijk in op 3D-chipintegratie om de gang in de wet van Moore te houden.

Nantero_flat
In NRam overspannen koolstofnanobuizen (CNT‘s) een elektrode. Ze kennen twee metastabiele posities: kaarsrecht en doorgebogen, die elk een van de binaire waardes representeren.

Devoss van Isuppli gaf desalniettemin hoog op van NRam. De marktvorser zei met wat slagen om de arm dat het potentie heeft een universeel geheugen te worden. Dat was wat voorbarig, zo luidde de slotsom al in Bits&Chips 15. Die conclusie blijft overeind zolang de uitlijnkwestie onbeantwoord en het schalingsprobleem van flash onduidelijk blijft.

Desalniettemin trekt de Amerikaanse start-up nog altijd risicokapitaal aan en melden chipmakers, niet de minste, zich om Nantero‘s technologie in licentie te nemen. Meer daarover in de volgende editie.