3,8 miljoen Josephson-juncties in supergeleidende chips

Supergeleidende elektronica kan met veel hogere rekendichtheden werken dan conventionele chips, maar is nog altijd lastig op grote schaal te produceren. Vlaams onderzoeksinstituut Imec heeft twee stappen gezet om daar weer iets dichter bij in de buurt te komen.

Imec wil supergeleidende circuits demonstreren met drie metaallagen en verbindingen van slechts 30 nanometer breed. Centraal in die technologie staan Josephson-juncties, die bestaan uit twee supergeleiders die door een zeer dunne barrière van elkaar zijn gescheiden. De technologie is gebaseerd op niobium-titaannitride (NbTiN), een supergeleidend materiaal waarmee imec een alternatief ontwikkelt voor de gebruikelijke niobiumtechnologie.

Het onderzoeksinstituut realiseerde verbindingen met diameters tot 150 nanometer. Door deze te combineren in een structuur met drie metaallagen bereikt het ontwerp een dichtheid van 3,8 miljoen Josephson-juncties per vierkante centimeter. Volgens imec is dat een wereldprimeur. Ook de bedrading tussen de componenten is nog verder verkleind. De kleinste draden zijn 30 nanometer breed, ongeveer tien keer smaller dan wat volgens het onderzoekscentrum met conventionele supergeleidende niobiumtechnologie haalbaar is. Zowel de kritische stroomdichtheid van de Josephson-juncties als de kritische stroom van de verbindingen kan tijdens de fabricage worden afgestemd op verschillende toepassingen.

Alternatief voor CMOS

De belangstelling voor supergeleidende digitale elektronica hangt nauw samen met het snel stijgende energiegebruik van krachtige computers en AI-accelerators. Bij supergeleiding verdwijnt de elektrische weerstand, waardoor signalen met zeer kleine verliezen kunnen worden getransporteerd. Josephson-juncties maken daarnaast zeer snelle logische bewerkingen met een laag energiegebruik mogelijk.

Imec schat dat supergeleidende technologie ‘uiteindelijk tot honderd keer energie-efficiënter kan zijn dan geavanceerde CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-technologie’. De potentiële rekendichtheid en bandbreedte zouden volgens de onderzoekers zelfs ’tot duizend keer hoger kunnen liggen’. Het gaat hierbij om het technologische potentieel van de architectuur, niet om prestaties die met de nu gepresenteerde schakeling al als compleet computersysteem zijn aangetoond.

Chiptypen combineren

Imec ziet een breed toepassingsgebied. De technologie zou naast de voor de hand liggende opties gebruikt kunnen worden voor de besturings- en uitleeselektronica van quantumcomputers, neuromorfe systemen en fotonica. In plaats van een volledige computer uitsluitend uit supergeleidende elektronica te bouwen, kunnen toekomstige systemen verschillende chiptypen combineren en iedere technologie inzetten voor het onderdeel waarin die het meest efficiënt is.