211service.com
Grafentransistorer, der kan arbejde med blærehastigheder
IBM har skabt grafentransistorer, der efterlader silicium i støvet. Prototype-enhederne, lavet af atomtykke plader af kulstof, fungerer ved 100 gigahertz - hvilket betyder, at de kan tænde og slukke 100 milliarder gange hvert sekund, cirka 10 gange så hurtigt som de hurtigste siliciumtransistorer.
Hurtige kontakter: Disse arrays af transistorer, trykt på en siliciumcarbid wafer, fungerer ved hastigheder på 100 gigahertz.
Transistorerne blev skabt ved hjælp af processer, der er kompatible med eksisterende halvlederproduktion, og eksperter siger, at de kunne skaleres op til at producere transistorer til højtydende billedbehandling, radar og kommunikationsenheder inden for de næste par år og til zippy computerprocessorer om et årti eller sådan.
Forskere har tidligere lavet grafentransistorer ved hjælp af besværlige mekaniske metoder, for eksempel ved at afflage plader af grafen fra grafit; de hurtigste transistorer lavet på denne måde har nået hastigheder på op til 26 gigahertz. Transistorer lavet ved hjælp af lignende metoder har ikke svaret til disse hastigheder.
Voksende transistorer på en wafer fører ikke kun til bedre ydeevne, det er også mere kommercielt muligt, siger Phaedon Avouris , leder af videnskabs- og teknologigruppen i nanoskala ved IBM Watson Research Center i Ossining, NY, hvor arbejdet blev udført.
I sidste ende har grafen potentialet til at erstatte silicium i højhastighedscomputerprocessorer. Efterhånden som computere bliver hurtigere hvert år, kommer silicium tættere og tættere på dets fysiske grænser, og grafen giver en lovende potentiel erstatning, fordi elektroner bevæger sig gennem materialet meget hurtigere, end de gør gennem silicium. Selv uden at optimere designet er disse transistorer allerede 2,5 gange bedre end silicium, siger Yu-Ming Lin , en anden forsker hos IBM Watson, der samarbejdede med Avouris.
Andre forskere har lavet meget hurtige transistorer ved hjælp af dyre halvledermaterialer såsom indiumphosphid, men disse enheder fungerer kun ved lave temperaturer. I teorien har grafen de materialeegenskaber, der er nødvendige for at lade transistorer køre med terahertz-hastigheder ved stuetemperatur.
IBM-forskerne dyrkede grafen på overfladen af en to-tommers siliciumcarbid-wafer. Processen starter, når de opvarmer waferen, indtil siliciumet fordamper, og efterlader et tyndt lag kulstof, kendt som epitaksial grafen. Denne teknik er blevet brugt til at lave transistorer før, men IBM-teamet forbedrede processen ved at bruge bedre materialer til de andre dele af transistoren, især isolatoren.
Grafens egenskaber er meget følsomme over for dets miljø, siger Lin. Det er grunden til, at IBM-gruppen fokuserede på at designe et nyt isolerende lag – den del af transistoren, der forhindrer kortslutninger. De fandt ud af, at tilføjelse af et tyndt lag af en polymer mellem dielektrikumet og grafenet forbedrede ydeevnen. Arbejdet er beskrevet i denne uge i journalen Videnskab .
Walter de Heer , en professor i fysik ved Georgia Tech i Atlanta, som var banebrydende for metoder, der blev brugt til at arbejde med epitaksial grafen, siger, at IBM-enheden er en milepæl på grund af dens hastighed, og fordi den blev lavet ved hjælp af praktiske fremstillingsteknikker. Det her er ikke pie-in-the-sky-ting, det her er ægte, siger han. Denne udvikling vil virkelig blive til en kommunikationsenhed ikke så længe fra nu.
Man kan anvende de samme forarbejdningsteknologier for at komme meget tættere på et produkt, siger Avouris. Sidste år, samme IBM-gruppe, og en uafhængig gruppe på HRL Laboratorier i Malibu, Californien, lavede begge 10 gigahertz grafentransistorer ved hjælp af en involveret metode kaldet mekanisk eksfoliering. Denne proces involverer at skrælle lag væk fra et lille stykke grafit, indtil der er et enkelt, atomtykt ark tilbage, og derefter lægge det ned på et substrat og skære det ud til en transistor. Problemet med denne tilgang er, at den kompromitterer grafens elektriske egenskaber og ikke er kommercielt skalerbar, siger Avouris.
De første anvendelser af grafentransistorer vil sandsynligvis være som switche og forstærkere i analog militærelektronik. Faktisk er IBM-gruppens arbejde delvist støttet af Defence Advanced Research Projects Agency. Men forskerne siger, at der vil gå år, før virksomheden begynder kommerciel udvikling af kulstofelektronik.
De Heer bemærker, at IBM-enhederne endnu ikke realiserer grafens fulde potentiale. Ved omhyggeligt at kontrollere vækstbetingelserne har hans gruppe lavet grafen, der leder elektroner 10 gange hurtigere end det materiale, som IBM-teamet bruger. Denne grafen af højere kvalitet kunne i teorien bruges til at lave transistorer, der når terahertz-hastigheder, selvom de Heer siger, at mange ting kan gå galt under opskalering.
Avouris siger, at IBM-teamet vil arbejde på at forbedre transistorernes hastighed ved at miniaturisere dem. Dem, den har lavet indtil videre, er 240 nanometer lange, hvilket er relativt stort - silicium elektroniske komponenter er nede på omkring 20 nanometer. Avouris mener også, at deres ydeevne kunne forbedres ved at gøre det isolerende lag tyndere. Det næste skridt er at prøve at integrere disse transistorer i et virkeligt operationelt kredsløb, siger han.