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.


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.

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

Annons

12
Leave a Reply

Please Login to comment
12 Comment threads
0 Thread replies
0 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
12 Comment authors
thisHenrik BerntssonstornbringerAnton KarmehedTempel Recent comment authors
  Subscribe  
senaste äldsta flest röster
Notifiera vid
flopper
Medlem
flopper

Ser med andra ord helsvart ut för framtiden?
😆

-Tjalve-
Gäst
-Tjalve-

Man vill ju bara att det ska komma slutprodukter baserad på detta… nu 🙂

Jacob Hugosson
Medlem

Tack för en strålande artikel Andreas, även jag som följt grafen ett tag har lärt mig en del nytt! Det låter ju verkligen mer som en tidsfråga innan vi går från plaståldern till ”grafenåldern”.

Som sann hårdvaruentusiast borde jag säga att transistorn och elektronik är det som intresserar mig mest men jag tänker allt mer på alla andra användningsområden 😆

jaqob
Medlem
jaqob

Tack för en intressant och läsvärd artikel! En liten kommentar bara angående detta stycket bara. [quote]”Att få Nobelpriset ”bara” 6 år efter att artikeln publicerades är inte unikt, men inte heller vanligt. Det brukar kunna dröja betydligt längre. Gärna ska man ha dött medans man väntat på att någon ska erkänna ens arbete, och då ska det sägas att forskare ofta är seglivade.” [/quote] Jag tolkar det, kanske felaktigt, som att du skriver att man gärna ska ha dött för att få nobelpriset. Detta är väl dock en liten överdrift, då det är (i princip)* omöjligt att få priset postumt.… Läs hela »

-Boris-
Medlem
-Boris-

[quote name=”jaqob”]Tack för en intressant och läsvärd artikel! En liten kommentar bara angående detta stycket bara. [quote]”Att få Nobelpriset ”bara” 6 år efter att artikeln publicerades är inte unikt, men inte heller vanligt. Det brukar kunna dröja betydligt längre. Gärna ska man ha dött medans man väntat på att någon ska erkänna ens arbete, och då ska det sägas att forskare ofta är seglivade.” [/quote] Jag tolkar det, kanske felaktigt, som att du skriver att man gärna ska ha dött för att få nobelpriset. Detta är väl dock en liten överdrift, då det är (i princip)* omöjligt att få priset… Läs hela »

Hans
Medlem
Hans

Väldigt fin artikel och väldigt interessant. *thumbs up*

Dessutom väldigt bra svenska. =)

Tempel
Medlem
Tempel

Sånt här som gör NH så jäkla bra… lite mer lite djupare och mer insatt.

Väldigt bra förklarat!

Anton Karmehed
Admin

Som Jacob sa, mycket lärorikt och intressant även för oss som tycker att man har ganska bra koll på ämnet.
Det ska verkligen bli spännande att se om Grafen kan leva upp till sina potential, bara om man når några så är det ju en stor grej. 🙂

John Svensson
Medlem
John Svensson

Tackar för ett väldigt fint arbete, alltid kul att läsa om teknikens framtida möjligheter.

Vore kul om fler med ”specialkunskap”, följde efter.

Henrik Berntsson
Admin

mycket intressant att kika på grafen lite närmare! bara en sån sak som transistorer i 155 GHz på 40 (!) nm är ju galet redan nu. Hoppas och tror på en riktigt häftig uberdatorkraft i framtiden mha grafen 🙂
tackar för en riktigt fin inblick i ämnet!
edit: självkylande transistorer, tysta datorer till folket 🙂

this
Medlem
this

Så jävla intressant! Mycket bra skrivet dessutom 🙂 NH visar verkligen var skåpet ska stå och får de andra svenska sidorna att blekna.