Grafen – Vi tittar närmare på efterträdaren till Kisel

Grafen som transistor forts.

När gruppen i Manchester jobbade vidare med grafen och testade dess förmåga som just en fälteffekttransistor, eller nanoconstriction field effect transistor (NCFET), fick man fram högst mediokra resultat vid rumstemperatur. I artikeln från 2004³ berättar de om hur de byggt en fungerande transistor av grafen med ett av-på-förhållande som var ”lite sådär” vid rumstemperatur.

Senare har även forskare vid Georgia Tech⁵, Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite, annonserat att de lyckats bygga transistorer med sidoportar, men även deras applikation hade brister, framförallt de extremt låga temperaturerna som krävdes, men även de hade ett lågt av-på-förhållande (2%). En top-port fälteffektstransistor presenterades sedan av tyska forskare från universitetet i Aachen⁶, men även den hade ett av-på-förhållande lägre än 2.

Forskare anser att ett förhållande över 1000 är nödvändigt för att man ska kunna använda grafen som transistor i ”nonvolatile memory” (minne som inte tappar datan när strömmen bryts), medan det ställs högre krav i mikroprocessorer.

Toshiba 19nm NAND flash-minne, en form av non-volatile memory.

Forskarna i Manchester gick sedan vidare för att hitta ett nytt sätt att förbättra av-på-förhållandet hos transistorn. De presenterade en möjlig lösning 2008⁷ där de använde sig av en reversibel kemisk reaktion som resulterade i ett förhållande större än 1 000 000:1. Tillverkningsprocessen var fortfarande ett problem och frekvenserna nådda aldrig över 25KHz.

Alla dessa tidigare försök har varit med p-typen av transistorer, men 2009 annonserade forskare vid Stanford att de lyckats dopa grafen med ammoniak och skapat n-typen⁸, vilket innebär att båda typerna kan skapas från grafen.

Forskare via University of Pennsylvania lyckades senare med att tillverka en NCFET med ett högt Av/På-förhållande vid rumstemperatur och med möjlighet att nå under 10nm⁹. De använder beprövade tekniker som anpassats för att fungera med grafen och når goda resultat. Det blev alltmer uppenbart att grafen kommer att kunna glida in nuvarande system och tekniker.

Man har sedan dess upptäckt att en grafentransistor inte har någon resistiv värmeutveckling, vilket kiseltransistorn har och vilket är huvudorsaken till den höga värmeutvecklingen hos moderna processorer. Det var snarare så att när elektronerna kom i kontakt med ledarna att temperaturen sjönk. Transistorn kylde sig själv¹⁰.

• Grafentransistorer visar upp självkylande förmåga

Stiliserad bild av grafen i kontakt med en metalledare.

IBM visade för inte så länge sedan upp kiselplattor tillverkade med portar på 40nm¹¹, vilket var ett stort kliv framåt från de tidigare som var gjorda med portar på 240nm. Under 2010 lyckades flera forskarlag, inklusive ett vid IBM, att tillverka större mängder av rent grafen som kunde användas vid tillverkning av transistorer. Ett europeiskt forskarlag lyckades “odla” stora mängder grafen på en yta av kiselkol (SiC) med mycket goda resultat. Man hade lyckats komma bort från de “rough edges” som hindrat dem tidigare.

• Forskare på IBM når 100GHz med grafentransistor

• IBM når 155 GHz med 40nm grafentransistor

IBM har gått i spetsen och visat upp funktionella transistorer i enormt höga hastigheter, hela 155GHz nu senast¹². Problemet med att få in de nya transistorerna i dagens tillverkningsprocess har överbryggats i och med att denna transistor och den tidigare rekordhållaren båda var tillverkade med utrustning väldigt lik den som används för kiseltransistorer.

Rent spontant känns IBM som de som leder forskningen mot en kommersiell lösning inom en framtid vi kan föreställa oss, men exakt när och i vilken form vi kommer att hålla den i handen vet vi inte än. Grafen har alla möjligheter att revolutionera vår värld med mer effektiva, svalare, billigare, starkare och mer uthålliga transistorer. Allt vi kan göra är att hålla tummarna att det händer så snart som möjligt.

Referenser

5 – Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite

6 – “A graphene field-effect device”. IEEE Electron Device Letters 28 (4): 282

7 – “Nonvolatile Switching in Graphene Field-Effect Devices”. IEEE Electron Device Letters 29 (8): 952

8 – “N-Doping of Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonia”. Science 324 (5928): 768

9 – “High-on/off-ratio graphene nanoconstriction field-effect transistor”. Small 23 (6): 2748

10 – “Nanoscale Joule heating, Peltier cooling and current crowding at graphene–metal contacts”. Nature Nanotechnology 6 : 287–290

11 – “100-GHz Transistors from Wafer-Scale Epitaxial Graphene”. Science (Science) 327 (5966): 662

12 – “High-frequency, scaled graphene transistors on diamond-like carbon”. Nature, 472: 74