Grafen Yarıiletkenler – Sonunda Burada mı?

Bugün, yarıiletkenler modern dünyayı güçlendiriyor. Elektronik cihazların bel kemiğidirler ve bir keşif elektronik endüstrisini önemli ölçüde dönüştürmeyi hedefliyor. 

Mikroçipler veya entegre devreler (IC’ler) olarak da adlandırılan yarıiletkenler, alüminyum ve bakır gibi iletkenler ile seramik ve cam gibi yalıtkanlar arasındaki bir elektriksel iletkenliğe sahip malzemelerdir.

Yarıiletkenler ışığa ve ısıya duyarlıdır ve dirençleri değişir. Bir yarıiletkenin rezistivitesi, sıcaklığı arttıkça düşer; bu, metallere göre ters bir davranıştır.

Bazı yarıiletken örnekleri arasında doğada kolayca bulunan saf elementler olan silikon ve germanyum bulunur. Ayrıca kadmiyum selenit ve galyum arsenid gibi bileşikler de vardır. Malzemelerin iletkenliğini veya özelliklerini değiştirmek için saf yarıiletkenlere doping adı verilen bir işlemle az miktarda safsızlık eklenir.

Dolayısıyla, saflıklarına bağlı olarak yarıiletkenler ikiye ayrılır — öz (intrinsic) yarıiletkenler, tek bir atom tipinden oluşan doğal malzemeler olup doğrudan cihazlarda kullanılabilir; ve dışsal (extrinsic) yarıiletkenler, cihazlarda kullanılmadan önce dopingle işlem görmesi gerekir. Öz yarıiletkenlerin dönüştürülmesi, iki tür dışsal yarıiletken ortaya çıkar: N-tipi (donör) ve P-tipi (akseptör).

Yarıiletkenler, alternatif akımı doğru akıma dönüştüren diyotlar, transistörler veya akım amplifikatörleri ve farklı elektronik cihazların üretiminde temel olan elektronik devreler için kullanılır.

Yarıiletkenlerle, filament gerekmeme avantajını elde ederiz. Bu nedenle elektron yaymak için ısıtılmalarına gerek yoktur ve hemen çalıştırılabilirler. Ayrıca küçük boyutlu oldukları için kompakt, taşınabilir ve daha az enerji tüketirler. Üstelik yarıiletkenler çok pahalı değildir.

Yarıiletkenler hayatımızın ayrılmaz bir parçasıdır; onsuz TV, radyo, bilgisayar, akıllı telefon, otomobil, buzdolabı ve video oyunları olmazdı. Yarıiletkenler, elektriğin akışını kontrol etmek için açılıp kapatılabilen minik anahtarlar oluşturulmasını sağlar; bu akım elektrik devrelerinden geçtiğinde elektronik cihazların çalışmasını mümkün kılar.

Bu durum, yarıiletkenleri bilgisayar, iletişim, sağlık, ulaşım, temiz enerji, savunma, ev aletleri, oyun donanımları ve daha birçok uygulama için ilerlemeyi mümkün kılan temel bir bileşen haline getirir.

Geçtiğimiz onlarca yılda, yarıiletken teknolojisindeki gelişmeler bu elektronik cihazları sadece daha küçük yapmakla kalmayıp, aynı zamanda daha hızlı, daha karmaşık, daha uyumlu ve daha güvenilir hâle getirdi.

Yarıiletkenlerle çalışan şirketler genellikle faaliyetlerini tasarım ya da üretim etrafında organize eder. Tasarıma odaklananlar “fabless” firmalar olarak adlandırılırken, yalnızca üretime odaklananlar “foundry” (dökümhane) olarak bilinir; ikisini de yapanlar ise Entegre Cihaz Üreticileri (IDM) olarak adlandırılır.

Son birkaç yılda bir yarıiletken krizi yaşandı. 2020 sonlarından itibaren, pandemi ve kapanışların ardından elektronik cihaz talebi patladıkça, dünya çapında mikroçip ve elektronik devre sıkıntısı ortaya çıktı.

Çevrimiçi dersler, uzaktan çalışma ve artan dijitalleşme elektronik cihaz talebinde büyük bir artışa yol açarken, yapay zeka, sanal gerçeklik, 5G, büyük veri ve bulut hizmetleri gibi yeni teknolojik gelişmeler durumu daha da kötüleştirdi.

Buna yanıt olarak, dünya genelindeki şirketler soruna çözüm bulmak için büyük kaynaklar yatırıyor. 

Büyük Bir Keşif: İlk Fonksiyonel Grafen Yarıiletkeni 

Galyum arsenid, güneş hücrelerinde, lazer diyotlarda ve mikrodalga frekanslı entegre devrelerde kullanılan popüler bir yarıiletkendir. Ancak günümüzde en yaygın yarıiletken silikon olup, çoğu elektronik devrenin üretiminde kritik bir rol oynar. Bu malzeme sınırına ulaşmaktadır — yüksek miktarda enerji gerektirir ve bu da bilim insanlarını alternatif aramaya yöneltmiştir.

Ve bir başka element daha var: grafen, yarıiletken olarak kabul edilmese de çip ve devre üretiminde kullanılabilir. Son derece iletken bir malzeme olup ısıyı çok etkili bir şekilde dağıtarak elektronik bileşenlerin performansını artırır. Ayrıca silikonla karşılaştırıldığında daha yüksek hız ve enerji verimliliğine sahiptir ve büyük miktarda enerji gerektirmez; bu da elektronik üretiminde son derece faydalı kılar.

Grafen, altıgenler halinde düzenlenmiş tek bir atom kalınlığında karbon tabakası olan son derece ince bir malzemedir ve grafitin temelini oluşturur. İnsanlık tarafından bilinen en ince malzeme olmasına rağmen, çok dayanıklıdır (yaklaşık 200 kat çelikten daha güçlü) ve esnektir. 

Üstelik bu tek karbon atom tabakası, ısı ve elektriğin mükemmel bir iletkenidir ve ilginç ışık absorpsiyon özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, sensörler, güneş hücreleri, piller ve daha fazlası gibi birçok uygulamayı devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahiptir.

Bununla birlikte, malzemenin bazı sorunları da vardır; grafenin olağanüstü elektriksel iletkenliği, onu yarıiletken olarak kullanmayı zorlaştırır. Yarıiletkenlerin açılıp kapanmasını sağlayan bir band boşluğuna (bandgap) ihtiyaç duyar, ki grafende genellikle bulunmaz. Band boşluğunu grafene kazandırmak için bilim insanları grafeni belirli şekillerde üretmiş ya da doğuştan band boşluğuna sahip diğer 2D malzemelerle birleştirmiş, ancak henüz uygulanabilir bir yarıiletken grafen elde edememiştir.

Bilim insanları grafen üzerinde çalışırken, araştırmacılar ilk fonksiyonel grafen yarıiletkenini gösteren bir atılım gerçekleştirdi; bu, bilişim ve elektronik dünyasını sonsuza dek değiştirme potansiyeline sahiptir.

Band boşluğuna sahip grafen yarıiletkeni sadece fonksiyonel olmakla kalmaz, aynı zamanda mevcut üretim süreçlerine entegre edilebilir. 2024’ün ilk haftasında Nature dergisinde yayınlanan çalışma, nanoelektronikte kullanılabilecek fonksiyonel bir grafen yarıiletkeni gösterdi.

Bunun için Georgia Teknoloji Enstitüsü’nde fizik profesörü olan Walter de Heer, bir araştırma ekibi yönetti ve Çin’in Tianjin Üniversitesi ile iş birliği yaptı. Ve şöyle dedi:

“Şimdi silikonun on katı mobiliteye sahip son derece dayanıklı bir grafen yarıiletkenimiz var ve ayrıca silikonun sunmadığı benzersiz özelliklere de sahip. Ancak son on yıldır çalışmamızın hikayesi şu oldu: ‘Bu malzemeyi çalışacak kadar iyi hâle getirebilir miyiz?'”

Kariyerinin başlarında De Heer, karbon temelli malzemeleri potansiyel yarıiletkenler olarak araştırarak başladı, ardından yirmi yıl önce 2D grafene yöneldi. Ekip, “grafenin üç özel özelliğini elektroniklere kazandırma umuduyla” motive olmuştu — son derece dayanıklı bir malzeme, çok büyük akımları ısı üretmeden taşıma yeteneği.

Atılım, ekip silikon karbür levhalar üzerinde grafen yetiştirmeyi başardığında gerçekleşti — bu levhalar elektronik cihazlarda kullanılır ve enerji dönüşümünü verimli kılar — özel fırınlar ve özel ısıtma‑soğutma süreci kullanılarak.

Bu, epitaksiyel grafeni ortaya çıkardı; bu, silikon karbürün kristal yüzeyinde (silisyum ve karbon içeren sert kristal bileşik) büyüyen bir tabakadır ve doğru şekilde üretildiğinde kimyasal olarak silikon karbüre bağlanır ve yarıiletken özellikler gösterir.

Fonksiyonel bir transistör üretmek için ekip, yarıiletken malzemenin özelliklerinin, transistör olarak çalıştırılırken zarar görmediğinden emin olmalı. Bunun için önce malzemenin iyi bir iletken olup olmadığını test etmeleri ve doping tekniğini kullanmaları gerekti; bu işlem malzemenin ya da özelliklerinin zarar görmeden başarılı oldu.

De Heer’e göre silikon karbür levhalara geçiş “oldukça uygulanabilir”. Çalışma, grafen yarıiletkenlerinin silikonunkinden çok daha yüksek mobiliteye sahip olduğunu buldu; bu, elektronların çok düşük dirençle hareket ettiği anlamına gelir. Elektronikte bu, daha hızlı bilgi işlem demektir.

“Bu, çakıllı bir yolda sürmek ile otoban üzerinde sürmek arasındaki fark gibi,” dedi de Heer. “Daha verimli, daha az ısınır ve elektronların daha hızlı hareket etmesini sağlayarak daha yüksek hızlara izin verir.”

Geleceğin Elektroniklerini Besleyecek Devrim Niteliğinde Atılım

On yıl süren araştırmanın ardından, son çalışma grafeni özel silikon karbür çiplerinde nasıl yetiştireceğini keşfetti. Ekip, grafenin istenen yapıyı elde etmek için kimyasal özelliklerini değiştirdi ve böylece grafen yüksek kaliteli bir yarıiletken gibi davranabiliyor.

Grafen elektroniğini hayata geçirme üzerine konuşurken, de Heer şöyle belirtti:

“Malzemeyi nasıl işleyeceğimizi, nasıl sürekli iyileştireceğimizi ve sonunda özelliklerini nasıl ölçeceğimizi öğrenmek zorundaydık. Bu çok, çok uzun bir zaman aldı.”

Yarıiletken şu anda sadece iki boyutlu (2D) ve nanoelektronikte kullanılabilecek tüm gerekli özelliklere sahip. Elektriksel özellikleri, şu anda üzerinde çalışılan diğer iki boyutlu yarıiletkenlerden çok daha üstündür. Uzmanlar, bu keşfin silikondan daha az enerji tüketen yeni, güçlü grafen yarıiletkenleri yaratmamızı sağlayarak elektronik endüstrisinin yüzünü tamamen değiştirebileceğine inanıyor.

“Bu araştırma, grafenin olağanüstü stabilitesini korumakla kalmayıp aynı zamanda yeni elektronik özellikler de kazandırarak grafen tabanlı çiplerin yolunu açtı,” dedi Pekin merkezli Science and Technology Daily.

Grafen tabanlı elektronikler, açılıp kapanmak için daha az güç gerektirdiği ve ayrıca elektronların ısı üretmeden akabildiği için çok daha verimlidir. Bu, “telefonların haftalarca şarj olmadan dayanabileceği, hayatımızın her alanında enerji tüketiminin azalacağı, maliyetlerin ve fosil yakıtlardan kaynaklanan kirliliğin azalacağı” anlamına geliyor, dedi Birleşik Krallık Ulusal Grafen Enstitüsü, Manchester Üniversitesi’nden malzeme profesörü Sarah Haigh bir röportajda.

Bu, gelecekte daha gelişmiş kişisel bilgisayarları ve kuantum bilgisayarları besleyecek çiplerin yolunu açabilir.

Araştırmacılar, bu silikon alternatifindeki elektronların, ışık gibi, kuantum mekanik dalga özelliklerine benzeyen özellikler taşıdığını belirttiler. Bu özellikler çok düşük sıcaklıklarda kullanılabilir. Araştırmacılar şimdi bunu sonraki çalışmalarda keşfetmeyi planlıyor.

Epitaksiyel grafen, elektronların daha az dirençle hareket etmesini sağlar; bu da bu şekilde üretilen transistörlerin terahertz frekanslarında çalışabileceği anlamına gelir. Bu, silikonun transistörlerin ne kadar hızlı açılıp kapanabileceği, ne kadar küçültebileceği ve ne kadar ısı üretebileceği gibi sınırlamalarını aşmaya yardımcı olur.

Bu şekilde, yeni malzeme elektronik alanında bir paradigma değişikliğine yol açabilir; bu da kuantum bilgisayar için elektronların kuantum mekanik dalga özelliklerinin kullanılmasını mümkün kılar. Bir sonraki nesil bilgisayarların büyük bir adımı olan bu, daha küçük ve daha hızlı elektronikler inşa etmenin kapılarını açabilir.

De Heer’in belirttiği gibi, sadece grafenin “daha küçük, daha hızlı ve daha az ısı yayarak” yapma yeteneği değil, aynı zamanda “silicon’da erişilemeyen elektron özelliklerini” kullanması, “bir paradigma değişikliği — elektronik yapmanın farklı bir yolu” anlamına geliyor.

Bu, yeni bir elektronik neslinin artık yakın olduğunu gösteriyor. Uzun bir süredir silikon elektronik dünyasını yönetti; bu, vakum tüplerinin ardından, tel ve telgrafların ardından gelen bir adım ve şimdi grafen bir sonraki adımı temsil edecek.

“Benim için bu, Wright kardeşler anı gibi,” dedi de Heer. “Havada 300 feet uçabilen bir uçak inşa ettiler. Ancak şüpheciler, dünyaya zaten hızlı trenler ve gemiler varken uçuşa neden ihtiyaç duyulduğunu sordu. Ancak onlar ısrar etti ve bu, insanları okyanusların ötesine taşıyabilecek bir teknolojinin başlangıcı oldu.”

Ayrıca ölçeklenebilir. Önceden, grafen bir yarıiletken olarak umut vaat etse de yalnızca küçük ölçeklerde kullanılabiliyordu. Grafen yarıiletkenlerini pratik bilgisayar çipi boyutlarına ölçeklendirmek zorlayıcıydı.

Araştırma, David Carey’nin (İngiltere Surrey Üniversitesi) belirttiği gibi “gerçekten ölçeklenebilir” olan levhalar kullandı ve yarıiletken endüstrisinin şu anda kullandığı teknoloji, “bu süreci ölçeklendirmek” için kullanılabilir.

Bununla birlikte, son grafen yarıiletkenlerinin mevcut süperiletken teknolojiden daha iyi performans gösterip göstermeyeceği henüz görülmeli. Ayrıca, dünyayı grafen çiplere geçirebilmek için kalite, boyut ve üretim teknikleri konusunda yeni araştırmaların iyileştirilmesi gerekiyor. Bu, uzun bir yolculuk olacağı ve grafen yarıiletkenlerinin endüstriyel uygulanmasını tam olarak hayata geçirmek için on yıldan fazla sürebileceği anlamına geliyor.

En iyi on yarıiletken ekipman hisse senedinin listesi için buraya tıklayın.