Pionieren met hybride chips om de meest geavanceerde vierkante centimeter nůg efficiŽnter te maken

Onderzoekers aan het werk in het NanoLabTUe. Foto: Bart van Overbeeke
Onderzoekers aan het werk in het NanoLabTUe. Foto: Bart van Overbeeke
De TU/e als ideale plek om elektronica en fotonica samen te brengen en de digitalisering van ons moderne leven in een stroomversnelling te brengen.

Ook al krijgen onze smartphones met elk nieuw model meer snelheid en geheugen, toch hoeven we de batterij niet vaker op te laden. Het energieverbruik van die compacte computers in onze broekzak blijft dus beperkt, ondanks de toenemende rekenkracht van elektronische chips. Toch komt de grens in zicht, zeker met de gigantische hoeveelheden data die we meer en meer versturen. Fotonica - signalen via lichtdeeltjes - kan de oplossing zijn, maar hoe combineer je dat op de huidige elektronische chips? Aan de TU/e wordt gepionierd met ’hybride chips’ omdat we zowel het ecosysteem als onze eigen expertises mee hebben.

Fotonische chips, die werken op licht in plaats van elektriciteit, bestaan al in verschillende hoedanigheden. Een daarvan is gebaseerd op silicium, dat ook de basis vormt voor de huidige halfgeleiderindustrie, waardoor deze fotonische chips in theorie met de bestaande mogelijkheden al vrij snel massaal kunnen worden geproduceerd.

"Silicium is een soort gebakken zand", versimpelt hoogleraar Peter Baltus. "Handig, want de stranden liggen er vol mee. En het is een makkelijk beÔnvloedbaar materiaal met bijzondere eigenschappen. Er kan een beetje stroom doorheen, oftewel ’geleiden’, maar het kan die stroom ook tegenhouden, dus het werkt tegelijk als een isolator. Half dit en half dat eigenlijk. Vandaar ook de term halfgeleiders."

Nieuwe technologie in de chipproductie

Essentieel aspect van fotonische chips is echter dat er geen stroom (elektriciteit) doorheen gaat, maar licht. "Dan ben je dus minder afhankelijk van halfgeleiders, maar vooral van glasvezels. Die kennen we allemaal wel van onze internetverbindingen, maar in de chipproductie is het nog een opkomende technologie. En we kunnen nog niet alle elektronische onderdelen op de huidige chips vervangen om licht daarop door te laten", schetst Baltus het probleem.

Silicium laat echter nog wel wat te wensen over als het gaat om fotonische chips. Je kunt er bijvoorbeeld geen lasers of lichtbronnen in maken. Indiumfosfide daarentegen, is een materiaal dat zeer geschikt is voor fotonische chips met lasers. Het is echter nog incompatibel met andere essentiŽle onderdelen van de chipsproductie. "De mogelijkheden voor verbinding tussen elektronica en fotonica zijn nog te beperkt", vat Baltus simpelweg samen. "Het ideaal is om uiteindelijk alles op ťťn chip te maken waar elektronische en fotonische componenten op zitten. Maar voor nu moeten we vooral kijken wat de opties zijn om verschillende technologieŽn te combineren en uitzoeken waar we ons geld op zetten."

Why we strengthen our key position on chips

In the coming years, TU/e will expand its key position in Dutch academia in the field of semiconductors with its Future Chips flagship. With the initiative, the university is giving a boost to the development of chip technology to accelerate the creation of solutions to the major societal, economic and geopolitical challenges in this field.

Gigantische hoeveelheid data

In de chipsindustrie kan fotonica dus niet zonder elektronica om de schaalsprong mogelijk te maken waar de rappe digitalisering van ons moderne leven om vraagt. Maar waarom heeft elektronica eigenlijk licht nodig op chips, zo draait Baltus’ wetenschappelijke collega Martijn Heck de vraag om: "Dat heeft te maken met de gigantische hoeveelheid data die we continu over en weer versturen, van apparaten via datacenters naar andere apparaten. Zeker nu de ontwikkeling van AI exponentieel groeit."

"Al die apparaten en datacenters werken met chips en daarop wordt data elektronisch via metalen pinnetjes doorgestuurd. Maar er moet tegenwoordig zoveel data doorheen dat het bijna niet meer door die pinnetjes past. Op een gegeven moment moet je die pinnetjes vervangen door lichtkanaaltjes. En dat betekent dat die chips ook fotonica moeten bevatten. Niet zozeer om berekeningen te maken, maar om de data aan en af te voeren."

’Op ťťn elektronische chip zitten hypothetisch gezien wel 160 miljoen transistorradio’s.’


Een andere uitdaging is dat de steeds kleiner wordende onderdelen op chips, zoals transistoren, inmiddels de grootte van een atoom benaderen. "Op ťťn huidige elektronische chip zitten hypothetisch gezien wel 160 miljoen transistorradio’s", visualiseert Baltus. Naar de fabricagemethoden om op steeds kleinere schaal zulke componenten te maken, lopen andere onderzoeken binnen de TU/e. Desondanks speelt die beperking mee bij de behoefte aan een nieuw type chips die de groei van ons dataverkeer kunnen bijbenen.


Kortom, er is geen one size fits all oplossing voor alle grote digitale uitdagingen van de komende decennia. De werelden van het ontwerpen van chips, processen en materialen, en de apparatuur (equipment) moeten samenkomen. "Dit is het tijdperk van heterogene integratie", zo verwoordt Heck. "Maar hoe? Dat is de open onderzoeksvraag. De chip is al de meest geavanceerde technologie ooit en nu moeten we naar een hybride - of beter gezegd heterogene - variant, die nog complexer is. Aan die vierkante centimeter werkt momenteel de hele wereld samen."

Printtechniek voor heterogene chips

Binnen die samenwerking heeft de TU/e een bijzondere koppositie. In ieder geval met het , een Europees project onder coŲrdinatie van Heck waarin een schaalbare, robuuste en kostenefficiŽnte printtechniek wordt ontwikkeld voor zo’n heterogene chip. "Je kunt chips op verschillende manieren met elkaar combineren. Het makkelijkste is om twee verschillende chips naast elkaar te leggen en met kleine draadjes ertussen letterlijk een bruggetje te maken. Of je legt ze op elkaar met kleine soldeercontactjes zodat je verticale elektrische verbindingen krijgt. In INSPIRE leggen we ook chips op elkaar, maar dan om verticaal optische verbindingen te krijgen. Daarvoor heb je zeer nauwkeurige apparatuur nodig."

Heck benadrukt dat zulke heterogene fotonische-elektronische chips nog niet bedoeld zijn voor de toepassingen waar wij in het dagelijks leven mee te maken hebben. "Denk dan vooral aan communicatie in bijvoorbeeld datacenters, waar al die servers met elkaar verbonden zijn met optische glasvezels. Of aan sensoren die onderdelen in vliegtuigvleugels, bruggen of wegen meten zodat we weten of daar iets fout zit. Dat gaat ook via glasvezels, dus belangrijk om daar de juiste chips voor te hebben."

Tech push in plaats van applicatie pull

De enorme vlucht die sensoren nemen in allerlei soorten toepassingen (automotive, internet of things, wearables, etc.) leidt dus tot een grote behoefte aan het combineren van verschillende technologieŽn op chips. "Overigens niet altijd vanuit de markt", stelt Heck. "Dit is een van de weinige technologieŽn waar we het over tech push mogen hebben in plaats van een applicatie pull. De geschiedenis leert dat we deze ontwikkeling in de toekomst nodig hebben. En het kost tien tot vijftien jaar om te ontwikkelen, dus daar zit de urgentie. Toepassingen komen vanzelf wel, daar hoeven we ons geen zorgen over te maken."

’De geschiedenis leert dat we deze ontwikkeling in de toekomst nodig hebben.’


Pionieren in alle opzichten dus. Ook daarmee heeft de TU/e een voorsprong als onderdeel van de hightech hotspot Brainport, een ecosysteem met belangrijke partijen in de halfgeleiderindustrie zoals ASML, ASM en NXP. Of, zoals Baltus het omschrijft, ’een fijne omgeving waar iedereen openstaat voor die knettergekke ideeŽn van ons.’ "De universiteit is een geweldige plek om risicovolle mogelijkheden uit te proberen. Studenten en promovendi doen het gewoon, die zijn niet bezig met ’waarom niet’. En de bedrijven om ons heen zijn dan weer bereid om met die oplossingen aan de slag te gaan."

"Wat we hier aan innovaties genereren dankzij die intensieve samenwerking tussen bedrijven en instituten, is behoorlijk uniek. We gunnen elkaar iets, of meer dan dat, we vinden het leuk om samen te innoveren. Dat heeft zeker meegeholpen aan ons succes in de chipsontwikkeling. Ook de uitstekende samenwerking tussen verschillende onderzoeksgroepen binnen de TU/e is niet vanzelfsprekend. In andere wetenschappelijke omgevingen is dat echt anders. We lopen de cleanrooms in en uit bij elkaar, bij wijze van spreken."

Over cleanrooms gesproken; ook daarmee gooien we als universiteit hoge ogen, aldus Heck: "We beschikken over een wereldleidende cleanroom voor het produceren van indiumfosfide chips, het NanoLabTUe , dat academisch gezien in de internationale top drie staat." Daarnaast heeft de TU/e een sterke track record van uit de universiteit voortgekomen startups zoals ProDrive, Smart Photonics, Effect Photonics, MicroAlign, MantiSpectra en ANTENNEX. Al die krachten bij elkaar maken dit ecosysteem de ideale plek om de productie van heterogene computerchips in een stroomversnelling te brengen.

Meer weten over future chips? Check deze pagina.