Grafeenisemikondensaattorit – Ovatko ne vihdoin täällä?

Tänään puolijohteet virvoittavat modernia maailmaa. Ne ovat elektronisten laitteiden selkäranka, ja yksi löytö pyrkii mullistamaan elektroniikkateollisuuden merkittävästi. 

Myös mikroprosesseina tai integroituna piireinä (IC) kutsutut puolijohteet ovat materiaaleja, joiden sähkönjohtavuus sijoittuu johtavien, kuten alumiinin ja kuparin, ja eristeiden, kuten keraamisten ja lasin, väliin.

Puolijohteet ovat herkkiä valolle ja lämmölle, ja niiden resistanssi vaihtelee. Puolijohteen resistiivisyys laskee lämpötilan noustessa, toisin kuin metallien käyttäytyminen.

Esimerkkejä puolijohteista ovat piidi ja germanium, jotka ovat puhtaita alkuaineita ja löytyvät helposti luonnosta. Lisäksi on yhdisteitä, kuten kadmiumseleniidi ja galliumarsenidi. Myös johtavuutta tai materiaalien ominaisuuksia muutetaan lisäämällä pieniä määriä epäpuhtauksia puhtaisiin puolijohteisiin doping-nimisellä prosessilla.

Näin ollen puhtauden mukaan puolijohteet jaotellaan – intrinsiset puolijohteet, jotka ovat luonnollisia yhdisteitä, koostuen yhdestä atomityypistä ja joita voidaan käyttää suoraan laitteissa, sekä ekstrinsiset puolijohteet, jotka on ensin dopattava ennen käyttöä laitteissa. Intrinsisten puolijohteiden muuntaminen tuottaa kaksi ekstrinsistä tyyppiä: N-tyyppi (lahjoittajat) ja P-tyyppi (hyväksyjät).

Puolijohteita käytetään diodeissa, jotka muuntavat vaihtovirran tasavirraksi, transistoreissa tai virranvahvistimissa, sekä elektronisissa piireissä, jotka ovat olennaisia erilaisten elektronisten laitteiden valmistuksessa.

Puolijohteiden etuna on, että niissä ei ole hehkulankoja. Näin ollen niitä ei tarvitse lämmittää elektronien vapauttamiseksi. Tämä tarkoittaa myös, että puolijohteet voidaan ottaa käyttöön heti. Lisäksi ne ovat pieniä; ne ovat kompakteja, kannettavia ja kuluttavat vähemmän energiaa. Myös puolijohteet eivät ole kovin kalliita.

Puolijohteet ovat olennainen osa elämäämme, sillä ilman niitä ei olisi televisiota, radiota, tietokoneita, älypuhelimia, autoja, jääkaappeja eikä videopelien konsolia. Puolijohteet mahdollistavat käytännössä pienten kytkimien luomisen, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois päältä ohjaamaan sähkön virtausta, ja tämä sähkövirta sähköisissä piireissä mahdollistaa elektronisten laitteiden toiminnan.

Tämä tekee puolijohteista välttämättömän komponentin elektronisissa laitteissa, jotka mahdollistavat edistysaskeleita laskennassa, viestinnässä, terveydenhuollossa, liikenteessä, puhtaassa energiassa, puolustuksessa, kodinkoneissa, pelilaitteissa ja monissa muissa sovelluksissa.

Viimeisten vuosikymmenten aikana puolijohdeteknologian kehitys on tehnyt näistä elektronisista laitteista ei vain pienempiä, vaan myös nopeampia, kehittyneempiä, yhteensopivampia ja luotettavampia.

Puolijohteilla työskentelevät yritykset järjestävät toimintansa yleensä joko suunnittelun tai valmistuksen ympärille. Suunnitteluun keskittyviä kutsutaan “fabless”-yrityksiksi, pelkästään valmistukseen keskittyviä “foundries”-tehtaisiksi, ja molempia tekeviä kutsutaan integroiduiksi laitevalmistajiksi (IDM).

Viime vuosina on ollut puolijohdekriisi. Loppuvuodesta 2020, pandemian ja sulkujen jälkeen, kun elektronisten laitteiden kysyntä räjähti, on maailmanlaajuisesti ollut mikroprosessorien ja elektronisten piirin puutetta.

Verkkotunnit, etätyö ja kasvava digitalisaatio aiheuttivat valtavan kasvun elektronisten laitteiden kysynnässä, ja uudet teknologiset edistysaskeleet ovat synnyttäneet häiritseviä teknologioita, kuten tekoälyä, virtuaalitodellisuutta, 5G:tä, suuria tietomassoja ja pilvipalveluita, jotka ovat entisestään pahentaneet tilannetta.

Vastauksena tähän yritykset ympäri maailmaa investoivat valtavia resursseja ratkaisun löytämiseksi. 

Suuri löytö: Ensimmäinen toimiva grafeenisemikondensaattori 

Galliumarsenidi on suosittu puolijohde, jota käytetään aurinkokennoissa, laser diodeissa ja mikroaaltotaajuuksisissa integroiduissa piireissä. Kuitenkin yleisin nykyään käytetty puolijohde on pii, joka näyttelee keskeistä roolia suurimman osan elektronisten piirien valmistuksessa. Mutta materiaali lähestyy rajaansa – se vaatii suuria määriä energiaa, minkä vuoksi tutkijat etsivät vaihtoehtoa.

Ja on olemassa toinen alkuaine, grafeeni, jota ei pidetä puolijohteena, mutta sitä voidaan käyttää sirujen ja piirin valmistukseen. Se on erittäin johtava materiaali, joka tehokkaasti hajottaa lämpöä, parantaen elektronisten komponenttien suorituskykyä. Se tarjoaa myös parempaa nopeutta ja energiatehokkuutta verrattuna piihin ilman suurta energian tarvetta, mikä tekee siitä erittäin hyödyllisen elektroniikan luomisessa.

Grafeeni on äärimmäisen ohut materiaali, vain yhden atomikerroksen paksu hiilikerroksena, joka on järjestäytynyt kuusikulmioiksi, ja se on grafiitin perusta. Huolimatta siitä, että se on ihmiskunnan tuntemiin ohuin materiaali, se on erittäin kestävä (noin 200 kertaa vahvempi kuin teräs) ja joustava.

Lisäksi tämä yksi hiiliatomikerros on erinomainen lämmön ja sähkön johtaja ja sillä on mielenkiintoisia valon absorptiokykyjä. Tästä syystä materiaali voi mullistaa monia sovelluksia, kuten antureita, aurinkokennoja, akkuja ja paljon muuta.

Kuitenkin materiaali ei ole ongelmaton; sen poikkeuksellinen sähkönjohtavuus tekee siitä vaikean käyttää puolijohteena. Siksi se tarvitsee energiaraon (bandgap), joka mahdollistaa puolijohteiden kytkemisen päälle ja pois, mutta grafeenilla sitä ei tavallisesti ole. Energiaraon lisäämiseksi grafeeniin tutkijat ovat valmistaneet grafeenia erityismuodoissa tai käyttäneet muita 2D-materiaaleja, joilla on sisäänrakennettu energiarao, mutta nämä eivät ole onnistuneet tuottamaan käyttökelpoista puolijohdegrafeenia.

Kun tutkijat työskentelevät grafeenin parissa, äskettäin tehtiin läpimurto, jossa tutkijat osoittivat ensimmäisen toimivan grafeenisemikondensaattorin, mikä tarkoittaa tietojenkäsittelyn ja elektroniikan maailman muuttamista ikuisesti. Tämä saavutettiin voittamalla vuosien ajan grafeenitutkimusta haitannut este – oikean energiaraon löytäminen, joka voi kytkeytyä päälle ja pois oikeassa suhteessa – mikä edustaa keskeistä vaihetta grafeenipohjaisten sirujen toteuttamisessa.

Grafeenisemikondensaattori, jossa on energiarao, ei ole vain toimiva, vaan sen voidaan myös integroida olemassa oleviin valmistusprosesseihin. tutkimus osoitti toimivan grafeenisemikondensaattorin, jota voidaan käyttää nanoelektroniikassa.

Tätä varten Walter de Heer, fysiikan professori Georgia Institute of Technologyssa, johti tutkimusryhmää ja teki yhteistyötä Kiinan Tianjinin yliopiston kanssa. Hän sanoi:

“Meillä on nyt äärimmäisen kestävä grafeenisemikondensaattori, jonka liikkuvuus on kymmenen kertaa suurempi kuin piillä, ja jolla on myös ainutlaatuisia ominaisuuksia, joita pii ei tarjoa. Mutta tarinamme viimeisen kymmenen vuoden ajalta on ollut: ‘Voimmeko saada tämän materiaalin riittävän hyvän toimimaan?'”

Uran alussa De Heer alkoi tutkia hiilipohjaisia materiaaleja mahdollisina puolijohteina, ja siirtyi sitten yli kaksikymmentä vuotta sitten 2D-grafeeniin. Tiimi oli “motivoitunut toivosta tuoda kolme erityistä grafeenin ominaisuutta elektroniikkaan” – äärimmäisen kestävä materiaali, sen kyky käsitellä erittäin suuria virtoja, ja tehdä se ilman lämpenemistä ja hajoamista.

Läpimurto saavutettiin, kun tiimi keksi, miten kasvattaa grafeenia piisilikaatin (silicon carbide) wafer-pohjille – joita käytetään elektronisissa laitteissa ja jotka mahdollistavat tehokkaan energianmuunnoksen – hyödyntäen erikoislämmittimiä sekä erityistä lämmitys- ja jäähdytysprosessia.

Tämä johti epitaksiseen grafeeniin, joka on kerros, joka kasvaa piisilikaatin (kovan kiteisen yhdisteen, joka sisältää piitä ja hiiltä) kristallipinnalle, ja joka oikein valmistettuna muodostaa kemiallisen sidoksen piisilikaatin kanssa ja osoittaa puolijohdeominaisuuksia.

Jotta toimiva transistori voidaan valmistaa, tiimin on varmistettava, että sen ominaisuudet eivät vahingoitu, kun puolijohdemateriaalia muokataan toimimaan transistorina. Tätä varten tiimin täytyi ensin tarkistaa, onko materiaali hyvä johtaja, ja käyttää doping-tekniikkaa, mikä onnistui vahingoittamatta materiaalia tai sen ominaisuuksia.

Siisilikaatin wafer-pohjaan siirtyminen on de Heerin mukaan “varsin toteuttamiskelpoinen”. Tutkimus havaitsi, että heidän grafeenisemikondensaattorinsa liikkuvuus on paljon suurempi kuin piillä, mikä tarkoittaa, että elektronit liikkuvat hyvin pienellä vastuksella. Elektroniikassa tämä tarkoittaa nopeampaa laskentaa.

“Se on kuin ajaminen soratiellä verrattuna moottoritielle,” de Heer sanoi. “Se on tehokkaampi, se ei lämpene niin paljon, ja se mahdollistaa suuremmat nopeudet, jotta elektronit voivat liikkua nopeammin.”

Vallankumouksellinen läpimurto tulevaisuuden elektroniikan vauhdittamiseksi

Kymmenen vuoden tutkimuksen jälkeen uusin tutkimus löysi tavan kasvattaa grafeenia erityisille piisilikaatin siruille. Tiimi muutti grafeenin kemiallisia ominaisuuksia saavuttaakseen halutun rakenteen, jotta grafeeni voi toimia korkealaatuisena puolijohteena.

Puhuttaessa grafeenielektroniikan toteuttamisesta, de Heer totesi:

“Meidän täytyi oppia, miten käsitellä materiaalia, miten tehdä siitä yhä parempi, ja lopulta, miten mitata ominaisuuksia. Se kesti erittäin, erittäin pitkään.”

Puolijohde on tällä hetkellä vain kaksidimensionaalinen (2D) ja sillä on kaikki tarvittavat ominaisuudet käytettäväksi nanoelektroniikassa. Sen sähköiset ominaisuudet ovat myös paljon paremmat kuin muiden tällä hetkellä kehitteillä olevien kaksidimensionaalisten puolijohteiden. Asiantuntijat uskovat, että löytö voi täysin muuttaa elektroniikkateollisuuden ilmettä mahdollistamalla uusien, tehokkaiden grafeenisemikondensaattorien luomisen, jotka kuluttavat vähemmän energiaa kuin pii.

“Tämä tutkimus ei ole ainoastaan säilyttänyt grafeenin poikkeuksellista vakautta, vaan on myös tuonut uusia elektronisia ominaisuuksia, raivaten tietä grafeenipohjaisille siruille,” totesi Pekingissä toimiva Science and Technology Daily.

Grafeenipohjainen elektroniikka on yksinkertaisesti tehokkaampaa, koska se tarvitsee vähemmän energiaa kytkeytyäkseen päälle ja pois, ja lisäksi elektronit voivat virrata ilman lämmön tuottamista, jonka jäähdyttäminen vaatisi vielä enemmän energiaa. Tämä tarkoittaa, että “puhelimet voisivat kestää viikkoja ilman akun loppumista, vähentäen energian kulutusta kaikilla elämämme osa-alueilla, pienentäen kustannuksia ja fossiilisten polttoaineiden aiheuttamaa saastetta,” sanoi Sarah Haigh, materiaalien professori Yhdistyneen kuningaskunnan National Graphene Institute -laitoksessa, Manchesterin yliopistossa, haastattelussa.

Tämä voi raivata tietä siruille, jotka tehostavat tulevaisuudessa kehittyneempiä henkilökohtaisia tietokoneita ja kvanttitietokoneita.

Tutkijat huomauttivat tutkimuksessaan, että tämän silikonialtaisen materiaalin elektronit, aivan kuin valo, omaavat ominaisuuksia, jotka muistuttavat kvanttimekaanisia aaltoja. Näitä ominaisuuksia voidaan hyvin hyödyntää erittäin matalissa lämpötiloissa. Tutkijat aikovat nyt tutkia tätä jatkotutkimuksissa.

Epitaksinen grafeeni mahdollistaa elektronien liikkumisen pienemmällä vastuksella, mikä tarkoittaa, että tällä tavalla valmistetut transistorit voivat toimia terahertsitaajuuksilla. Se auttaa ylittämään piin rajoituksia, jotka koskevat transistorien kytkentänopeutta, pienintä mahdollista kokoa ja syntyvää lämpöä.

Tällä tavoin uusi materiaali voisi aiheuttaa paradigman muutoksen elektroniikan alalla, mikä mahdollistaa elektronien kvanttimekaanisten aaltomaisien ominaisuuksien hyödyntämisen – vaatimus kvanttilaskennalle. Suuri askel kohti seuraavan sukupolven laskentaa, tämä voi avata ovet uudelle tavalle rakentaa pienempiä ja nopeampia elektroniikkalaitteita.

Kuten de Heer totesi, kyse ei ole vain grafeenin kyvystä “tehdä asioita pienemmiksi ja nopeammiksi sekä vähemmän lämmön hajautuksella”, vaan myös “elektronien ominaisuuksien hyödyntämisestä, jotka eivät ole saatavilla piissä”, mikä esittelee “paradigman muutoksen – se on erilainen tapa tehdä elektroniikkaa.”

Tämä tarkoittaa, että toinen sukupolvi elektroniikkaa on nyt lähestymässä. Pitkään pii on johtanut elektroniikkaa, mikä oli askel eteenpäin tyhjiöputkista, jotka tulivat johtojen ja telegraafien jälkeen, ja nyt grafeeni tulee olemaan seuraava johtava tekijä.

“Minulle tämä on kuin Wrightin veljesten hetki,” de Heer sanoi. “He rakensivat lentokoneen, joka pystyi lentämään 300 jalkaa ilmassa. Mutta skeptikot kysyivät, miksi maailma tarvitsee lentämistä, kun sillä on jo nopeat junat ja alukset. He kuitenkin jatkoivat, ja se oli teknologian alku, joka voi viedä ihmisiä yli merien.”

Lisäksi sitä voidaan skaalata. Aiemmin grafeeni oli osoittanut potentiaalia puolijohteena, mutta vain pienessä mittakaavassa. Grafeenisemikondensaattorien skaalaaminen käytännöllisiin tietokonesirukokoihin on ollut haastavaa. Kuitenkin uusin läpimurto käytti prosessia, joka on samankaltainen kuin piisirujen valmistustekniikat, ja on yhteensopiva perinteisten mikroelektroniikan prosessimenetelmien kanssa, mikä tekee sen skaalaamisesta helpompaa.

Tutkimus käytti wafer-pohjia, jotka Yhdistyneen kuningaskunnan Surrey-yliopiston David Careyn mukaan ovat “todella, todella skaalautuvia”, ja puolijohdeteollisuuden nykyinen teknologia voidaan käyttää “tämän prosessin skaalaamiseen”.

Sanoen näin, on vielä nähtävä, pystyykö uusin grafeenisemikondensaattori todella suoriutumaan paremmin kuin nykyinen suprajohtava teknologia. Lisäksi, jotta maailma siirtyy grafeenisiruihin, uutta tutkimusta on tarkennettava laadun, koon ja valmistustekniikoiden osalta. Tämä tarkoittaa, että kyseessä on pitkä matka, ja grafeenisemikondensaattorien teollinen käyttöönotto voi kestää yli vuosikymmenen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta puolijohdevarustelun osakkeesta.