211service.com
Grafeentransistoren die razendsnel kunnen werken
IBM heeft grafeentransistors gemaakt die siliciumtransistors in het stof achterlaten. De prototype-apparaten, gemaakt van atoomdikke koolstofplaten, werken op 100 gigahertz, wat betekent dat ze 100 miljard keer per seconde kunnen in- en uitschakelen, ongeveer 10 keer zo snel als de snelste siliciumtransistors.
Snelle schakelaars: Deze arrays van transistors, gedrukt op een siliciumcarbidewafel, werken met snelheden van 100 gigahertz.
De transistors zijn gemaakt met behulp van processen die compatibel zijn met de bestaande halfgeleiderproductie, en experts zeggen dat ze in de komende jaren kunnen worden opgeschaald om transistors te produceren voor hoogwaardige beeld-, radar- en communicatieapparatuur, en binnen tien jaar voor snelle computerprocessors. of zo.
Onderzoekers hebben eerder grafeentransistors gemaakt met behulp van bewerkelijke mechanische methoden, bijvoorbeeld door vellen grafeen van grafiet af te schilferen; de snelste transistors die op deze manier zijn gemaakt, hebben snelheden tot 26 gigahertz bereikt. Transistoren die met vergelijkbare methoden zijn gemaakt, hebben deze snelheden niet geëvenaard.
Het kweken van transistors op een wafer leidt niet alleen tot betere prestaties, het is ook commercieel haalbaarder, zegt Phaedon Avoris , leider van de nanoschaal wetenschap en technologie groep bij het IBM Watson Research Center in Ossining, NY waar het werk werd uitgevoerd.
Uiteindelijk heeft grafeen het potentieel om silicium in high-speed computerprocessors te vervangen. Omdat computers elk jaar sneller worden, komt silicium steeds dichter bij zijn fysieke limieten, en grafeen biedt een veelbelovende potentiële vervanging omdat elektronen veel sneller door het materiaal bewegen dan door silicium. Zelfs zonder het ontwerp te optimaliseren, zijn deze transistors al 2,5 keer beter dan silicium, zegt Yu-Ming Lin , een andere onderzoeker bij IBM Watson die samenwerkte met Avouris.
Andere onderzoekers hebben zeer snelle transistors gemaakt met dure halfgeleidermaterialen zoals indiumfosfide, maar deze apparaten werken alleen bij lage temperaturen. In theorie heeft grafeen de materiaaleigenschappen die nodig zijn om transistors bij kamertemperatuur met terahertz-snelheden te laten werken.
De IBM-onderzoekers groeiden het grafeen op het oppervlak van een siliciumcarbidewafel van 2 inch. Het proces begint wanneer ze de wafel verwarmen totdat het silicium verdampt, waardoor een dunne laag koolstof achterblijft, bekend als epitaxiaal grafeen. Deze techniek is eerder gebruikt om transistors te maken, maar het IBM-team verbeterde het proces door betere materialen te gebruiken voor de andere delen van de transistor, met name de isolator.
De eigenschappen van grafeen zijn erg gevoelig voor zijn omgeving, zegt Lin. Daarom richtte de IBM-groep zich op het ontwerpen van een nieuwe isolerende laag - het deel van de transistor dat kortsluiting voorkomt. Ze ontdekten dat het toevoegen van een dunne laag van een polymeer tussen het diëlektricum en het grafeen de prestaties verbeterde. Het werk wordt deze week beschreven in het journaal Wetenschap .
Walter de Heer , een professor in de natuurkunde aan Georgia Tech in Atlanta, die pionierde met methoden die werden gebruikt om met epitaxiaal grafeen te werken, zegt dat het IBM-apparaat een mijlpaal is vanwege zijn snelheid en omdat het is gemaakt met behulp van praktische fabricagetechnieken. Dit is geen luchtkasteel, dit is echt, zegt hij. Deze ontwikkeling gaat over niet al te lange tijd echt een communicatiemiddel worden.
Je kunt dezelfde verwerkingstechnologieën toepassen om veel dichter bij een product te komen, zegt Avouris. Vorig jaar , dezelfde IBM-groep, en een onafhankelijke groep bij HRL-laboratoria in Malibu, CA, maakten beide 10 gigahertz grafeentransistors met behulp van een betrokken methode die mechanische exfoliatie wordt genoemd. Dit proces omvat het afpellen van lagen van een klein stukje grafiet totdat er een enkele, atoomdikke laag overblijft, dat vervolgens op een substraat wordt geplaatst en het wordt gesneden om een transistor te vormen. Het probleem met deze aanpak is dat het de elektrische eigenschappen van grafeen in gevaar brengt en niet commercieel schaalbaar is, zegt Avouris.
De eerste toepassingen van grafeentransistors zullen waarschijnlijk zijn als schakelaars en versterkers in analoge militaire elektronica. Het werk van de IBM-groep wordt inderdaad gedeeltelijk ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency. Maar de onderzoekers zeggen dat het nog jaren zal duren voordat het bedrijf begint met de commerciële ontwikkeling van koolstofelektronica.
De Heer merkt op dat de IBM-apparaten het volledige potentieel van grafeen nog niet benutten. Door de groeiomstandigheden zorgvuldig te controleren, heeft zijn groep grafeen gemaakt dat elektronen 10 keer sneller geleidt dan het materiaal dat door het IBM-team wordt gebruikt. Dit grafeen van hogere kwaliteit zou in theorie kunnen worden gebruikt om transistors te maken die terahertz-snelheden bereiken, hoewel de Heer zegt dat er veel dingen mis kunnen gaan tijdens het opschalen.
Avouris zegt dat het IBM-team zal werken aan het verbeteren van de snelheid van zijn transistors door ze te miniaturiseren. Degenen die het tot nu toe heeft gemaakt, zijn 240 nanometer lang, wat relatief groot is - elektronische componenten van silicium hebben een lengte tot ongeveer 20 nanometer. Avouris is ook van mening dat hun prestaties verbeterd kunnen worden door de isolatielaag dunner te maken. De volgende stap is om te proberen deze transistors te integreren in een echt operationeel circuit, zegt hij.