Grafentransistorer som kan arbeta med blåsor

IBM har skapat grafentransistorer som lämnar kisel i dammet. Prototypenheterna, gjorda av atomtjocka ark av kol, fungerar på 100 gigahertz – vilket betyder att de kan slås på och stängas av 100 miljarder gånger varje sekund, ungefär 10 gånger så snabbt som de snabbaste kiseltransistorerna.

Snabba växlar: Dessa arrayer av transistorer, tryckta på en kiselkarbidskiva, arbetar med hastigheter på 100 gigahertz.

Transistorerna skapades med hjälp av processer som är kompatibla med befintlig halvledartillverkning, och experter säger att de kan skalas upp för att producera transistorer för högpresterande bildbehandlings-, radar- och kommunikationsenheter inom de närmaste åren, och för zippy datorprocessorer inom ett decennium eller så.

Forskare har tidigare tillverkat grafentransistorer med hjälp av mödosamma mekaniska metoder, till exempel genom att flaga av ark av grafen från grafit; de snabbaste transistorerna som tillverkats på detta sätt har nått hastigheter på upp till 26 gigahertz. Transistorer tillverkade med liknande metoder har inte motsvarat dessa hastigheter.

Att växa transistorer på en wafer leder inte bara till bättre prestanda, det är också mer kommersiellt genomförbart, säger Phaedon Avouris , ledare för vetenskaps- och teknikgruppen i nanoskala vid IBM Watson Research Center i Ossining, NY där arbetet utfördes.

I slutändan har grafen potentialen att ersätta kisel i höghastighetsdatorprocessorer. När datorer blir snabbare för varje år, kommer kisel närmare och närmare sina fysiska gränser, och grafen ger en lovande potentiell ersättning eftersom elektroner rör sig genom materialet mycket snabbare än de gör genom kisel. Även utan att optimera designen är dessa transistorer redan 2,5 gånger bättre än kisel, säger Yu-Ming Lin , en annan forskare vid IBM Watson som samarbetade med Avouris.

Andra forskare har gjort mycket snabba transistorer med hjälp av dyra halvledarmaterial som indiumfosfid, men dessa enheter fungerar bara vid låga temperaturer. I teorin har grafen de materialegenskaper som behövs för att låta transistorer köra med terahertzhastigheter vid rumstemperatur.

IBM-forskarna odlade grafen på ytan av en tvåtums kiselkarbidskiva. Processen startar när de värmer upp wafern tills kislet avdunstar och lämnar efter sig ett tunt lager av kol, känt som epitaxiell grafen. Denna teknik har använts för att göra transistorer tidigare, men IBM-teamet förbättrade processen genom att använda bättre material för de andra delarna av transistorn, i synnerhet isolatorn.

Grafens egenskaper är mycket känsliga för dess miljö, säger Lin. Det är därför IBM-gruppen fokuserade på att designa ett nytt isolerande lager – den del av transistorn som förhindrar kortslutningar. De fann att att lägga till ett tunt lager av en polymer mellan dielektrikumet och grafenet förbättrade prestandan. Arbetet beskrivs denna vecka i journalen Vetenskap .

Walter de Heer , en professor i fysik vid Georgia Tech i Atlanta som banade väg för metoder som användes för att arbeta med epitaxiell grafen, säger att IBM-enheten är en milstolpe på grund av dess hastighet och för att den tillverkades med praktiska tillverkningstekniker. Det här är inga pirr-in-the-sky-grejer, det här är på riktigt, säger han. Den här utvecklingen kommer verkligen att förvandlas till en kommunikationsenhet om inte så länge.

Man kan använda samma processteknik för att komma mycket närmare en produkt, säger Avouris. Förra året, samma IBM-grupp, och en oberoende grupp på HRL Laboratorier i Malibu, Kalifornien, tillverkade båda 10 gigahertz grafentransistorer med hjälp av en involverad metod som kallas mekanisk exfoliering. Denna process innebär att man skalar bort lager från en liten bit grafit tills ett enda, atomtjockt ark finns kvar, sedan ställer man ner det på ett substrat och skär det för att bilda en transistor. Problemet med detta tillvägagångssätt är att det äventyrar grafens elektriska egenskaper och inte är kommersiellt skalbart, säger Avouris.

De första tillämpningarna av grafentransistorer kommer sannolikt att vara som switchar och förstärkare i analog militärelektronik. Faktum är att IBM-gruppens arbete stöds delvis av Defence Advanced Research Projects Agency. Men forskarna säger att det kommer att dröja år innan företaget börjar kommersiell utveckling av kolelektronik.

De Heer noterar att IBM-enheterna ännu inte inser grafens fulla potential. Genom att noggrant kontrollera odlingsförhållandena har hans grupp tillverkat grafen som leder elektroner 10 gånger snabbare än materialet som används av IBM-teamet. Denna grafen av högre kvalitet skulle i teorin kunna användas för att göra transistorer som når terahertzhastigheter, även om de Heer säger att många saker kan gå fel under uppskalning.

Avouris säger att IBM-teamet kommer att arbeta för att förbättra sina transistorers hastighet genom att miniatyrisera dem. De som den har gjort hittills är 240 nanometer långa, vilket är relativt stort – kiselelektronikkomponenter är nere på cirka 20 nanometer. Avouris tror också att deras prestanda skulle kunna förbättras genom att göra det isolerande lagret tunnare. Nästa steg är att försöka integrera dessa transistorer i en verkligt fungerande krets, säger han.

Dölj