Niobiumfosfaat kan datacenters efficiënter maken door de zwakke schakel in materialen aan te pakken

Nieuwe geleider nodig voor nanochips

When producing advanced computer chips, the main technological focus has been on reducing the size of transistors and creating more advanced forms of semiconductor materials. This has been the driving force behind the success of companies like TSMC (TSM ), die nu chipnodes bereiken op de 3 of zelfs 2 nm (nanometer) schaal.

Echter, op deze schaal verschijnen er nieuwe problemen die niet gerelateerd zijn aan halfgeleiders. Een daarvan is dat traditionele geleidend materiaal zoals koper de elektriciteit niet goed geleidt wanneer de metalen draad te dun wordt.

Dit kan knelpunten veroorzaken voor de elektriciteit binnen de chips, waardoor de rekenkracht en algehele efficiëntie afnemen, en oververhitting ontstaat.

Daarom is het belangrijk nieuws dat onderzoekers van Stanford University, Ajou University, Suwon (Zuid-Korea) en het IBM Watson Research Center een ultradun materiaal hebben ontwikkeld dat onder deze omstandigheden elektriciteit beter geleidt dan koper.

They published their discovery in the prestigious scientific journal Science, titled “Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal¹”.

Koper vervangen in computertechniek

Because of its relatively low price and excellent electric conductivity, copper has been the main metal for electric connectivity and is also a key metal in batteries, electric grids, etc.

Vanwege de relatief lage prijs en uitstekende elektrische geleidbaarheid is koper het belangrijkste metaal voor elektrische verbindingen en tevens een sleutelmetaal in batterijen, elektriciteitsnetten, enz.

Echter, vanwege de zwakkere geleidbaarheid van koper op nanoschaal onder 50 nm, zoeken onderzoekers al geruime tijd naar alternatieven. Het probleem is dat bekende geleiders die op nanoschaal werken extreem precieze kristallijne structuren hebben, die bij zeer hoge temperaturen moeten worden gevormd.

Dit zou niet werken voor halfgeleiders en chips, omdat de hoge temperatuur de fragiele siliciumcomponenten zou vernietigen.

Dus begon de race om een ultradunne geleider te vinden die niet afhankelijk is van enkelkristallijne films.

Niobiumfosfaat

The researchers worked with niobium phosphide, a material known to display unique electric properties, like super fast electrons and very high magnetoresistance. It is notably already in use in laser and high-power / high-frequency applications.

De onderzoekers werkten met niobiumfosfaat, een materiaal dat bekend staat om unieke elektrische eigenschappen, zoals supersnelle elektronen en zeer hoge magnetoresistiviteit. Het wordt al gebruikt in laser- en hoogvermogen-/hoogfrequentietoepassingen.

Niobiumfosfaat wordt een topologisch semimetal genoemd: dit betekent dat hoewel het hele materiaal elektriciteit kan geleiden, het oppervlak meer geleidend is dan het midden.

Om het concept een beetje te vereenvoudigen, kunnen we zeggen dat hoe dunner de laag niobiumfosfaat, hoe meer oppervlak er is, met bijna geen “midden”. Als gevolg hiervan kan worden verwacht dat hoe dunner het niobiumfosfaat, hoe beter het geleidt.

En dit is precies wat de onderzoekers hebben waargenomen.

“Er is gedacht dat als we deze topologische oppervlakken willen benutten, we mooie enkelkristallijne films nodig hebben die erg moeilijk te deponeren zijn. Nu hebben we een andere klasse materialen – deze topologische semimetalen – die mogelijk kunnen dienen om het energieverbruik in elektronica te verminderen.”

Akash Ramdas – een doctoraalstudent aan Stanford

Dit is een zeer nieuw veld, waarbij natuurkundigen pas sinds 2015 beginnen te experimenteren met topologische semimetalen. En een film dunner dan 5 nm is nog nooit eerder geproduceerd.

Lagere temperatuur voor computertoepassingen

The lower temperature means the niobium phosphide is somewhat disorganized, with only nanocrystals in an amorphous matrix.

De lagere temperatuur betekent dat niobiumfosfaat enigszins ongeordend is, met alleen nanokristallen in een amorfe matrix.

Bron: Stanford Report

Bij nader onderzoek blijkt dat de hoge geleidbaarheid wordt gedreven door geleidingskanalen aan het oppervlak van de ultradunne film.

De film kan worden afgezet bij slechts 400 °C (752 °F), een temperatuur die laag genoeg is om de nabijgelegen siliciumtransistoren in een computerchip niet te beschadigen. Dit maakt het dus een ideaal materiaal om de interne componenten van een chip te verbinden met lage weerstand en daardoor weinig warmteproductie.

“Als je perfecte kristallijne draden moet maken, zal dat niet werken voor nano‑electronics.

Maar als je ze amorf of licht ongeordend kunt maken en ze toch de eigenschappen leveren die je nodig hebt, opent dat de deur naar potentiële toepassingen in de echte wereld.

Yuri Suzuki – Professor Toegepaste Natuurkunde

Hoge geleidbaarheid

When compared to normal films of niobium phosphide, the 5nm thin film was 6x more conductive. This was also lower than usual metals like copper.

In vergelijking met normale films van niobiumfosfaat was de 5 nm dunne film 6 maal beter geleidend. Dit lag ook lager dan gebruikelijke metalen zoals koper.

Bij een dikte van 1,5 nm was het materiaal twee keer zo geleidend als koper.

Dus dit is werkelijk het eerste voorbeeld van niet‑kristallijne, lage‑temperatuur geleiders die de geleidbaarheid van normale metalen op nanoschaal overtreffen.

Bron: Stanford Report

“Echt high‑density elektronica heeft zeer dunne metalen verbindingen nodig, en als die metalen niet goed geleiden, verliezen ze veel vermogen en energie.

Betere materialen kunnen ons helpen minder energie te verbruiken in kleine draden en meer energie te besteden aan daadwerkelijke berekeningen.

Eric Pop – Professor Elektrotechniek

De volgende stappen

The very next step is to test in a real chip how well niobium phosphide wire works when applied to nanoelectronics, not only for conductivity but also for reliability and how it can be integrated into the manufacturing process.

De allereerste stap is om in een echte chip te testen hoe goed niobiumfosfaatdraad werkt wanneer het wordt toegepast in nano‑electronics, niet alleen voor geleidbaarheid maar ook voor betrouwbaarheid en hoe het kan worden geïntegreerd in het productieproces.

Hiervoor moeten ze eerst een niobiumfosfaatnanodraad op schaal produceren.

Een ander onderzoek zal zijn om te controleren of dit concept niet beter kan worden gerealiseerd met andere semimetalen die mogelijk nog beter werken dan niobium.

“Om deze klasse materialen in toekomstige elektronica te kunnen gebruiken, moeten ze nog betere geleiders zijn. Daarom onderzoeken we alternatieve topologische semimetalen.”

Xiangjin Wu, een doctoraalstudent aan Stanford

Warmteafvoer is nu een van de belangrijkste energie‑verbruikende processen in deze datacenters, net zo veel als de rekenkracht zelf. Dit geldt vooral voor 5‑3 nm chips, die nodig zijn voor AI‑training en de meest complexe berekeningen.

Dus op de lange termijn zullen materialen die op nanoschaal geleiden een must zijn, aangezien warmteproductie een steeds groter probleem wordt voor datacenters die geavanceerde chips gebruiken.

Het is ook mogelijk dat ultradunne niobiumfosfaatfilms andere toepassingen vinden in geavanceerde technologieën, vooral waar dit materiaal al wordt gebruikt, zoals laser- of telecomapparatuur.

Investeren in geavanceerde geleidend materialen

As advanced chips and semiconductors elements get smaller, the industry is concentrating toward a handful of large manufacturers like TSMC (TSM ), Intel (INTC ) of Nvidia (NVDA ) (volg de links voor speciale rapporten over elk van deze bedrijven).

U kunt via vele brokers investeren in halfgeleidergerelateerde bedrijven, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Of, als u de voorkeur geeft aan een meer gediversifieerde aanpak, kunt u investeren in halfgeleidergerelateerde ETF’s zoals de iShares Semiconductor ETF (SOXX), de VanEck Semiconductor ETF (SMH), of de Global X Semiconductor ETF (SEMI).

U kunt ook meer leren over de toeleveringsketen van halfgeleiderproductie‑apparatuur en belangrijke bedrijven in “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Computing Advanced Material Company

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) was de drijvende kracht achter de commercialisering van de eerste mainframe‑computer. Het was ook de belangrijkste industriële partner van de Stanford‑onderzoekers voor hun niobiumfosfaatproject.

Het bedrijf is achtergebleven in het productievolume ten opzichte van andere tech‑giganten zoals Apple (AAPL ), TSMC en NVIDIA.

Het staat echter aan de voorhoede van de ontwikkeling van nieuwe computermaterialen en -technologie.

IBM loopt voorop in de vooruitgang van geleidingstechnologie, en topologische semimetalen zijn slechts een van die gebieden. Het is dus niet alleen voorloper op het gebied van nieuwe ultradunne geleidend materiaal, maar ook in hogetemperatuur‑supergeleiders.

Dergelijke supergeleiders zijn cruciaal voor quantumcomputers. Recentelijk heeft IBM “Condor”, een 1.121 supergeleidende qubit quantumprocessor ontwikkeld, gebaseerd op cross‑resonantie‑poorttechnologie, samen met “Heron”, een quantumprocessor aan de absolute grens van het vakgebied.

Bron: IBM

IBM is betrokken bij de meeste andere baanbrekende innovaties in computing en de halfgeleiderindustrie. Deze omvatten geleidend organisch materiaal, neuromorfe computing, fotonica, etc.

In zekere mate is IBM een “patentbedrijf” geworden met expertise in het ontwikkelen van nieuwe computermethoden en het licentiëren ervan aan de industrie.

Tot nu toe lijkt IBM zeer vastberaden om zoveel mogelijk belangrijke patenten te bezitten op alle niet‑silicon computermethoden, waarmee het zijn eerdere succes herhaalt door massaal bij te dragen aan de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie tot de reus die het vandaag is.

Niobiumfosfaat en andere technologieën gerelateerd aan topologische semimetalen passen perfect in die strategie, waarbij IBM de technologie ontwikkelt om koper in deze gevallen te vervangen, en deze vervolgens licentieert aan de grote chipfoundries voor de productiestappen.

Studieverwijzing:

^{1. Khan, A. I., et al. (2025). Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096}