Niobiumfosfid kan göra datacenter mer effektiva genom att åtgärda materialets svaga länk

Ny ledare behövs för nanochips

När avancerade datorkretsar tillverkas har huvudfokus varit att minska transistorerna i storlek och skapa mer avancerade former av halvledarmaterial. Detta har varit drivkraften bakom framgången för företag som TSMC (TSM ), som nu når chipnoder på 3 eller till och med 2 nm (nanometer) skala.

Men i denna skala uppstår nya problem som inte är relaterade till halvledare. Ett av dem är att traditionella ledande material som koppar inte leder elektricitet väl när metalltråden blir för tunn.

Detta kan skapa flaskhalsar för elektriciteten i chippen, vilket minskar beräkningskraften och den totala effektiviteten, samt orsakar överhettning.

Det är därför viktig nyhet att forskare vid Stanford University, Ajou University i Suwon (Sydkorea) och IBM Watson Research Center har utvecklat ett ultratunt material som leder elektricitet bättre än koppar under dessa förhållanden.

De publicerade sin upptäckt i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Science, med titeln “Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal¹”.

Ersätta koppar i databehandling

På grund av dess relativt låga pris och utmärkta elektriska ledningsförmåga har koppar varit huvudmetallen för elektrisk anslutning och är också en nyckelmetall i batterier, elnät osv.

Men på grund av koppars svagare ledningsförmåga på nanoskalan under 50 nm har forskare letat efter alternativ ett tag nu. Problemet är att kända ledare som fungerar på nanoskalan har extremt precisa kristallina strukturer, som måste bildas vid mycket höga temperaturer.

Detta skulle inte fungera för halvledare och chip, eftersom den höga temperaturen skulle förstöra de sköra kiselkomponenterna.

Så tävlade man för att hitta en ultratunn ledare som inte förlitade sig på enkristallina filmer.

Niobiumfosfid

Forskarna arbetade med niobiumfosfid, ett material känt för att uppvisa unika elektriska egenskaper, såsom supersnabba elektroner och mycket hög magnetoresistans. Det används redan i laser- och högkrafts-/högfrekvensapplikationer.

Niobiumfosfid kallas ett topologiskt semimetall: det betyder att medan hela materialet kan leda elektricitet, är ytan mer ledande än mitten.

För att förenkla konceptet lite kan vi säga att ju tunnare lagret av niobiumfosfid är, desto större andel yta finns det, med nästan ingen “mitten”. Som ett resultat kan man förvänta sig att ju tunnare niobiumfosfid är, desto mer ledande blir det.

Och detta är exakt vad forskarna observerade.

“Det har antagits att om vi vill utnyttja dessa topologiska ytor, behöver vi fina enkristallina filmer som är mycket svåra att deponera. Nu har vi en annan klass av material – dessa topologiska semimetaller – som potentiellt kan fungera som ett sätt att minska energianvändningen i elektronik.”

Akash Ramdas – a doctoral student at Stanford

Detta är ett mycket nytt område, där fysiker först började experimentera med topologiska semimetaller först 2015. Och ett <5nm tunt film har aldrig tidigare producerats.

Lägre temperatur för datortillämpningar

Den lägre temperaturen innebär att niobiumfosfid är något oorganiserad, med endast nanokristaller i en amorf matris.

Källa: Stanford Report

Vid vidare analys verkar den höga ledningsförmågan drivas av ledande kanaler på ytan av den ultratunna filmen.

Filmen kan deponeras vid endast 400°C (752°F), en temperatur som är tillräckligt låg för att inte skada de närliggande kiseltransistorerna i ett datorkort. Detta skulle göra det till ett idealiskt material för att ansluta chipets interna komponenter med låg resistans och därmed låg värmeproduktion.

“Om du måste tillverka perfekta kristallina ledningar, kommer det inte att fungera för nanoelektronik.

Men om du kan göra dem amorfa eller lätt oordnade och de fortfarande ger dig de egenskaper du behöver, öppnar det dörren till potentiella verkliga tillämpningar.

Yuri Suzuki – Professor i tillämpad fysik

Hög ledningsförmåga

Jämfört med vanliga filmer av niobiumfosfid var den 5 nm tunna filmen 6 gånger mer ledande. Detta var också lägre än vanliga metaller som koppar.

När den var 1,5 nm tunn var materialet dubbelt så ledande som koppar.

Så detta är verkligen det allra första exemplet på icke‑kristallina, lågtemperaturledare som överträffar vanliga metaller i ledningsförmåga på nanoskalan.

Källa: Stanford Report

“Verkligen högdensitets‑elektronik kräver mycket tunna metallanslutningar, och om dessa metaller inte leder väl förlorar de mycket kraft och energi.

Bättre material kan hjälpa oss att använda mindre energi i små ledningar och mer energi på själva beräkningarna.

Eric Pop – Professor i elektroteknik

Nästa steg

Det allra nästa steget är att testa i ett riktigt chip hur väl niobiumfosfidtråden fungerar när den tillämpas på nanoelektronik, inte bara för ledningsförmåga utan också för tillförlitlighet och hur den kan integreras i tillverkningsprocessen.

För detta måste de först bygga niobiumfosfidnanotrådar i skala.

Ett annat arbete blir att undersöka om detta koncept kan föras bättre av andra semimetaller som kanske fungerar ännu bättre än niobium.

“För att denna klass av material ska antas i framtida elektronik, behöver de vara ännu bättre ledare. Mot detta mål utforskar vi alternativa topologiska semimetaller.”

Xiangjin Wu, doktorand vid Stanford

Värmeavlägsnande är nu en av de största energiförbrukande processerna i dessa datacenter, lika mycket som själva beräkningarna. Detta gäller särskilt för 5‑3 nm chip, som krävs för AI‑träning och de mest komplexa beräkningarna.

Så på lång sikt kommer material som leder på nanoskalan att vara ett måste, eftersom värmeproduktionen blir ett allt större problem för datacenter som använder avancerade chip.

Det är också möjligt att ultratunna niobiumfosfidfilmer kan hitta andra tillämpningar i avancerad teknik, särskilt där detta material redan används, såsom laser- eller telekomutrustning.

Investera i avancerade ledande material

När avancerade chip och halvledarelement blir mindre fokuserar branschen på ett fåtal stora tillverkare som TSMC (TSM ), Intel (INTC ) eller Nvidia (NVDA ) (följ länkarna för dedikerade rapporter för var och en av dessa företag).

Du kan investera i semiconductorrelaterade företag via många mäklare, och du kan hitta här, på securities.io, våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.

Eller, om du föredrar ett mer diversifierat tillvägagångssätt, kan du investera i semiconductorrelaterade ETF:er som iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH), eller Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Du kan också lära dig mer om leveranskedjan för utrustning för tillverkning av halvledare och nyckelföretag i “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Computing Advanced Material Company

International Business Machines Corporation 

International Business Machines Corporation (IBM) var den ledande kraften bakom kommersialiseringen av den första stordatorn. Det var också den viktigaste industriella partnern till Stanford-forskarna för deras niobiumfosfidprojekt.

Företaget har hamnat på efterkälken i produktionsvolymen jämfört med andra teknikjättar som Apple, TSMC och NVIDIA.

Det är dock i framkant av utvecklingen av nya beräkningsmaterial och teknik.

IBM är i framkant av framsteg inom ledande teknik, och topologiska semimetaller är bara ett av dessa områden. Så de ligger inte bara i framkant när det gäller nya ultratunna ledande material, utan också inom högtemperatur‑supraledare.

Sådana supraledare är avgörande för kvantdatorer. Nyligen utvecklade IBM “Condor”, en 1 121‑supraledande qubit‑kvantprocessor baserad på cross‑resonance‑gate‑teknik, tillsammans med “Heron”, en kvantprocessor i teknikens allra framkant.

Källa: IBM

IBM är involverat i de flesta andra banbrytande innovationer inom databehandling och halvledarindustrin. Dessa inkluderar ledande organiska material, neuromorfisk beräkning, fotonik, osv.

Källa: IBM

Till viss grad har IBM blivit ett “patentföretag” med expertis i att utveckla nya beräkningsmetoder och licensiera dem till industrin.

Hittills verkar IBM mycket beslutsamt att inneha så många nyckelpatent i alla icke‑silicon‑beräkningsmetoder som möjligt, vilket återupprepar deras tidigare framgång när de bidrog massivt till att utveckla halvledarindustrin till den jätte den är idag.

Niobiumfosfid och andra topologiska semimetallrelaterade teknologier skulle passa perfekt i den strategin, där IBM utvecklar tekniken för att ersätta koppar i dessa fall och sedan licensierar den till de stora chipfabrikerna för tillverkningsstegen.

Studierreferens:

^{1. Khan, A. I., et al. (2025). Ytledningsförmåga och minskad elektrisk resistivitet i ultratunna icke‑kristallina NbP-semimetall. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096} på svenska.