Udvidelse af Moores lov:Expitaxial grafen viser løfte om at erstatte silicium i elektronik

(PhysOrg.com) -- Flyt over silicium. Der er nyt elektronisk materiale i byen, og det går hurtigt. Det materiale, fokus for 2010 Nobelprisen i fysik, er grafen - et fancy navn for ekstremt tynde lag af almindelige kulstofatomer arrangeret i et "kyllingetråd". Disse lag, nogle gange kun et enkelt atom tykt, lede elektricitet næsten uden modstand, meget lille varmeudvikling - og mindre strømforbrug end silicium.

Med fremstilling af siliciumenheder nærmer sig sine fysiske grænser, mange forskere mener, at grafen kan give et nyt platformsmateriale, der vil gøre det muligt for halvlederindustrien at fortsætte sin march mod stadigt mindre og hurtigere elektroniske enheder - fremskridt beskrevet i Moores lov. Selvom grafen sandsynligvis aldrig vil erstatte silicium til dagligdags elektroniske applikationer, det kunne tage over som det foretrukne materiale til højtydende enheder.

Og grafen kunne i sidste ende skabe en ny generation af enheder designet til at drage fordel af dets unikke egenskaber.

Siden 2001 har Georgia Tech er blevet verdensledende inden for udvikling af epitaksial grafen, en specifik type grafen, der kan dyrkes på store wafers og mønstres til brug i elektronikfremstilling. I et nyligt papir offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology, Georgia Tech-forskere rapporterede at fremstille en række af 10, 000 top-gatede transistorer på en 0,24 kvadratcentimeter chip, en præstation, der menes at være den højeste densitet, der hidtil er rapporteret i grafenenheder.

Ved at skabe dette array, de demonstrerede også en smart ny tilgang til dyrkning af komplekse grafenmønstre på skabeloner ætset ind i siliciumcarbid. Den nye teknik tilbød løsningen på et af de sværeste problemer, som grafenelektronik havde stået overfor.

"Dette er et væsentligt skridt hen imod elektronikfremstilling med grafen, " sagde Walt de Heer, en professor ved Georgia Tech's School of Physics, der var banebrydende for udviklingen af ​​grafen til højtydende elektronik. "Dette er endnu et trin, der viser, at vores metode til at arbejde med epitaksial grafen dyrket på siliciumcarbid er den rigtige tilgang og den, der sandsynligvis vil blive brugt til fremstilling af grafenelektronik."

Udrullede Carbon Nanorør

For de Heer, historien om grafen begynder med kulstof nanorør, små cylindriske strukturer, der blev betragtet som mirakuløse, da de først begyndte at blive studeret af forskere i 1991. De Heer var blandt forskerne, der var begejstrede for egenskaberne af nanorør, hvis unikke arrangement af kulstofatomer gav dem fysiske og elektroniske egenskaber, som forskerne troede kunne være grundlaget for en ny generation af elektroniske enheder.

Carbon nanorør har stadig attraktive egenskaber, men evnen til at dyrke dem konsekvent - og at inkorporere dem i højvolumen elektronikapplikationer - har hidtil unddraget sig forskere. De Heer indså før andre, at kulstof nanorør sandsynligvis aldrig ville blive brugt til højvolumen elektroniske enheder.

Men han indså også, at nøglen til de attraktive elektroniske egenskaber ved nanorørene var gitteret skabt af kulstofatomerne. Hvorfor ikke bare dyrke det gitter på en flad overflade, og bruge fremstillingsteknikker, der er bevist i mikroelektronikindustrien til at skabe enheder på nogenlunde samme måde som integrerede siliciumkredsløb?

Ved at opvarme siliciumcarbid - et meget brugt elektronisk materiale - var de Heer og hans kolleger i stand til at drive siliciumatomer fra overfladen, efterlader kun kulstofgitteret i tynde lag af grafen, der er store nok til at dyrke den slags elektroniske enheder, som en generation af elektronikdesignere kender.

Denne proces var grundlaget for et patent indgivet i 2003, og for indledende forskningsstøtte fra chipproducenten Intel. Siden da, de Heers gruppe har udgivet snesevis af artikler og hjulpet med at skabe andre forskningsgrupper, der også bruger epitaksial grafen til elektroniske enheder. Selvom forskere stadig lærer om materialet, virksomheder som IBM har lanceret forskningsprogrammer baseret på epitaksial grafen, og agenturer som National Science Foundation (NSF) og Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har investeret i at udvikle materialet til fremtidige elektronikapplikationer.

Georgia Techs arbejde med at udvikle epitaksial grafen til fremstilling af elektroniske enheder blev anerkendt i baggrundspapiret produceret af Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi som en del af Nobelprisdokumentationen.

Kapløbet om at finde kommercielle applikationer til grafen er intenst, med forskere fra USA, Europa, Japan og Singapore engagerede sig i velfinansierede indsatser. Siden tildelingen af ​​Nobelprisen til en gruppe fra Det Forenede Kongerige, strømningen af ​​nyhedsmeddelelser om udviklingen af ​​grafen er vokset.

"Vores epitaksiale grafen bruges nu over hele verden af ​​mange forskningslaboratorier, " bemærkede de Heer. "Vi er sandsynligvis på det stadie, hvor silicium var i 1950'erne. Dette er begyndelsen på noget, der bliver meget stort og vigtigt."

Silicium "løber tør for gas"

Der er brug for et nyt elektronikmateriale, fordi silicium er ved at løbe tør for miniaturiseringsrum.

"Primært, vi har fået hastighedsforøgelser fra silicium ved løbende at formindske funktionsstørrelser og forbedre sammenkoblingsteknologien, " sagde Dennis Hess, direktør for det National Science Foundation-sponsorerede Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) etableret ved Georgia Tech for at studere fremtidige elektroniske materialer, begyndende med epitaksial grafen. "Vi er på det punkt, hvor vi om mindre end 10 år, vi vil ikke være i stand til at formindske funktionsstørrelser længere på grund af enhedens fysik. Det betyder, at vi enten bliver nødt til at ændre den type enhed, vi laver, eller ændre det elektroniske materiale, vi bruger."

Det er et spørgsmål om fysik. På de meget små størrelsesskalaer, der er nødvendige for at skabe stadig mere tætte enhedsarrays, silicium genererer for meget modstand mod elektronstrøm, skaber mere varme, end der kan afgives og bruger for meget strøm.

Grafen har ingen sådanne begrænsninger, og faktisk kan give elektronmobilitet så meget som 100 gange bedre end silicium. De Heer mener, at hans gruppe har udviklet køreplanen for fremtiden for højtydende elektronik - og at den er brolagt med epitaksial grafen.

"Vi har stort set udviklet et helt skema til fremstilling af elektronik af grafen, " sagde han. "Vi har fastlagt, hvad vi tror vil være grundreglerne for, hvordan det vil fungere, og vi har de vigtigste patenter på plads."

Silicium, selvfølgelig, har modnet gennem mange generationer gennem konstant forskning og forbedring. De Heer og Hess er enige om, at silicium altid vil være omkring, nyttig til billige forbrugerprodukter såsom iPods, brødristere, personlige computere og lignende.

De Heer forventer, at grafen finder sin niche og gør ting, som ellers ikke kunne lade sig gøre.

"Vi forsøger ikke at gøre noget billigere eller bedre; vi vil gøre ting, der slet ikke kan gøres med silicium, " sagde han. "Gør elektroniske enheder så små som et molekyle, for eksempel, kan ikke gøres med silicium, men i princippet kunne lade sig gøre med grafen. Nøglespørgsmålet er, hvordan man udvider Moores lov i en post-CMOS-verden."

I modsætning til de kulstof nanorør, han studerede i 1990'erne, de Heer ser ingen større problemer forude for udviklingen af ​​epitaksial grafen.

"Der er ikke længere tvivl om, at grafen bliver en stor spiller i fremtidens elektronik, " sagde han. "Vi ser ikke nogen rigtige vejspærringer forude. Der er ingen blinkende røde lys eller andre tegn, der synes at sige, at dette ikke vil virke. Alle de problemer, vi ser, vedrører forbedring af tekniske problemer, og vi ved, hvordan man gør det."

Fremstilling af det bedste grafen

Siden begyndelsen af ​​udforskningen af ​​grafen i 2001, de Heer og hans forskerhold har foretaget løbende forbedringer i kvaliteten af ​​det materiale, de producerer, og disse forbedringer har givet dem mulighed for at demonstrere en række fysiske egenskaber - såsom Quantum Hall Effect - der bekræfter materialets unikke egenskaber.

"De egenskaber, som vi ser i vores epitaksiale grafen, svarer til, hvad vi har beregnet for et ideelt teoretisk ark af grafen suspenderet i luften, " sagde Claire Berger, en forsker ved Georgia Tech School of Physics, som også har en fakultetsansættelse ved Centre National de la Recherche Scientifique i Frankrig. "Vi ser disse egenskaber i elektrontransporten, og vi ser disse egenskaber i alle former for spektroskopi. Alt, hvad der formodes at forekomme i et enkelt ark grafen, ser vi i vores systemer."

Nøglen til materialets fremtid, selvfølgelig, er evnen til at lave elektroniske enheder, der fungerer konsekvent. Forskerne mener, at de næsten er nået dertil.

"All of the properties that epitaxial graphene needs to make it viable for electronic devices have been proven in this material, " said Ed Conrad, a professor in Georgia Tech's School of Physics who is also a MRSEC member. "We have shown that we can make macroscopic amounts of this material, and with the devices that are scalable, we have the groundwork that could really make graphene take off."

Reaching higher and higher device density is also important, along with the ability to control the number of layers of graphene produced. The group has demonstrated that in their multilayer graphene, each layer retains the desired properties.

"Multilayer graphene has different stacking than graphite, the material found in pencils, " Conrad noted. "In graphite, every layer is rotated 60 degrees and that's the only way that nature can do it. When we grow graphene on silicon carbide, the layers are rotated 30 degrees. Når det sker, the symmetry of the system changes to make the material behave the way we want it to."

Epitaxial Versus Exfoliated

Much of the world's graphene research -- including work leading to the Nobel -- involved the study of exfoliated graphene:layers of the material removed from a block of graphite, originally with tape. While that technique produces high-quality graphene, it's not clear how that could be scaled up for industrial production.

While agreeing that the exfoliated material has produced useful information about graphene properties, de Heer dismisses it as "a science project" unlikely to have industrial electronics application.

"Electronics companies are not interested in graphene flakes, " he said. "They need industrial graphene, a material that can be scaled up for high-volume manufacturing. Industry is now getting more and more interested in what we are doing."

De Heer says Georgia Tech's place in the new graphene world is to focus on electronic applications.

"We are not really trying to compete with these other groups, " he said. "We are really trying to create a practical electronic material. At gøre det, we will have to do many things right, including fabricating a scalable material that can be made as large as a wafer. It will have to be uniform and able to be processed using industrial methods."

Resolving Technical Issues

Among the significant technical issues facing graphene devices has been electron scattering that occurs at the boundaries of nanoribbons. If the edges aren't perfectly smooth -- as usually happens when the material is cut with electron beams -- the roughness bounces electrons around, creating resistance and interference.

For at løse det problem, de Heer and his team recently developed a new "templated growth" technique for fabricating nanometer-scale graphene devices. Teknikken går ud på at ætse mønstre ind i siliciumcarbidoverfladerne, hvorpå der dyrkes epitaksial grafen. Mønstrene tjener som skabeloner, der styrer væksten af ​​grafenstrukturer, tillader dannelsen af ​​nanobånd af specifikke bredder uden brug af e-bjælker eller andre destruktive skæreteknikker. Grafen nanobånd fremstillet med disse skabeloner har glatte kanter, der undgår elektronspredningsproblemer.

"Ved at bruge denne tilgang, vi kan lave meget smalle bånd af indbyrdes forbundne grafen uden de ru kanter, " said de Heer. "Anything that can be done to make small structures without having to cut them is going to be useful to the development of graphene electronics because if the edges are too rough, elektroner, der passerer gennem båndene, spredes mod kanterne og reducerer de ønskede egenskaber af grafen."

I grafenbånd i nanometerskala, kvanteindeslutning gør, at materialet opfører sig som en halvleder, der er egnet til fremstilling af elektroniske enheder. But in ribbons a micron or so wide, materialet fungerer som en leder. Styring af dybden af ​​siliciumcarbidskabelonen giver forskerne mulighed for at skabe disse forskellige strukturer samtidigt, bruger samme vækstproces.

"Det samme materiale kan være enten en leder eller en halvleder afhængigt af dets form, " noted de Heer. "One of the major advantages of graphene electronics is to make the device leads and the semiconducting ribbons from the same material. That's important to avoid electrical resistance that builds up at junctions between different materials."

After formation of the nanoribbons, the researchers apply a dielectric material and metal gate to construct field-effect transistors. Mens vellykket fremstilling af transistorer af høj kvalitet demonstrerer grafens levedygtighed som et elektronisk materiale, de Heer ser dem som kun det første skridt i, hvad der kunne gøres med materialet.

"Når vi formår at lave enheder godt på nanoskalaen, vi kan derefter gå videre med at lave meget mindre og finere strukturer, der vil gå ud over konventionelle transistorer for at åbne muligheden for mere sofistikerede enheder, der bruger elektroner mere som lys end partikler, " sagde han. "Hvis vi kan inddrage kvantemekaniske egenskaber i elektronik, det vil åbne op for en masse nye muligheder."

Collaborations with Other Groups

Before engineers can use epitaxial graphene for the next generation of electronic devices, they will have to understand its unique properties. As part of that process, Georgia Tech researchers are collaborating with scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The collaboration has produced new insights into how electrons behave in graphene.

In a recent paper published in the journal Nature Physics , the Georgia Tech-NIST team described for the first time how the orbits of electrons are distributed spatially by magnetic fields applied to layers of epitaxial graphene. They also found that these electron orbits can interact with the substrate on which the graphene is grown, creating energy gaps that affect how electron waves move through the multilayer material.

"The regular pattern of magnetically-induced energy gaps in the graphene surface creates regions where electron transport is not allowed, " said Phillip N. First, a professor in the Georgia Tech School of Physics and MRSEC member. "Electron waves would have to go around these regions, requiring new patterns of electron wave interference. Understanding this interference would be important for some bi-layer graphene devices that have been proposed."

Earlier NIST collaborations led to improved understanding of graphene electron states, and the way in which low temperature and high magnetic fields can affect energy levels. The researchers also demonstrated that atomic-scale moiré patterns, an interference pattern that appears when two or more graphene layers are overlaid, can be used to measure how sheets of graphene are stacked.

In a collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory and University of Illinois at Urbana-Champaign, a group of Georgia Tech professors developed a simple and quick one-step process for creating nanowires on graphene oxide.

"Vi har vist, at ved lokalt at opvarme isolerende grafenoxid, both the flakes and the epitaxial varieties, med en atomkraftmikroskopspids, we can write nanowires with dimensions down to 12 nanometers, " sagde Elisa Riedo, an associate professor in the Georgia Tech School of Physics and a MRSEC member. "And we can tune their electronic properties to be up to four orders of magnitude more conductive."

A New Industrial Revolution?

Though graphene can be grown and fabricated using processes similar to those of silicon, it is not easily compatible with silicon. That means companies adopting it will also have to build new fabrication facilities -- an expensive investment. Følgelig, de Heer believes industry will be cautious about moving into a new graphene world.

"Silicon technology is completely entrenched and well developed, " he admitted. "We can adopt many of the processes of silicon, but we can't easily integrate ourselves into silicon. På grund af det, we really need a major paradigm shift. But for the massive electronics industry, that will not happen easily or gently."

He draws an analogy to steamships and passenger trains at the dawn of the aviation age. På et tidspunkt, it became apparent that airliners were going to replace both ocean liners and trains in providing first-class passenger service. Though the cost of air travel was higher, passengers were willing to pay a premium for greater speed.

"We are going to see a coexistence of technologies for a while, and how the hybridization of graphene and silicon electronics is going to happen remains up in the air, " de Heer predicted. "That is going to take decades, though in the next ten years we are probably going to see real commercial devices that involve graphene."