IT-байки: Графеновая электроника: из лаборатории в производство / Аналитика

В последнее время публикации об открытии новых удивительных свойств графена и производных от него веществ следуют одно за другим. Графеновой электронике пророчится великое будущее ввиду уникальных характеристик полупроводников, получаемых на его основе. Статьи о графене и его свойствах публиковались на страницах 3DNews великое множество раз. Краткий список статей по теме можно найти в конце этой публикации, многочисленные новостные материалы легко обнаруживаются поиском по ключевому слову. Ради справедливости надо отметить тот факт, что подавляющее большинство публикаций о графене у нас и в мировой прессе в целом пока связано преимущественно с экспериментами и исследованиями лабораторного уровня. В этом нет ничего удивительного, ибо впервые в чистом виде графен получен всего лишь около пяти лет назад.

Графен действительно уникален. Кроме своей уникальной одноатомной толщины, графен в 10 раз прочнее стали и представляет собой превосходный проводник даже при комнатной температуре. Несмотря на невероятную прочность, графен обладает приличной гибкостью и может подвергаться 20% деформации без последствий для кристаллической решетки.

Молекулярная структура графена просто невероятно устойчива к повреждениям, а электроны, переносящие электрический заряд, перемещаются в графене со скоростью до 1/300 скорости света, будто их масса меньше чем при перемещении в металлах или суперпроводниках.

Однако наибольшие перспективы сулит использование графена в качестве материала для создания полупроводников с чрезвычайно высокой рабочей частотой. Так, учёным из IBM Research уже удалось на практике создать графеновые транзисторы с длиной затвора около 240 нм и достичь с ними рабочей частоты 100 ГГц. Это значительно превосходит возможности лучших образцов кремниевых транзисторов с той же длиной затвора (порядка 40 ГГц).

Всё это замечательно, однако однажды приходит момент, когда одних только дифирамбов графеновой электронике - всемогущей "панацее будущего", идущей на замену современной кремниевой электронике, уже недостаточно. И действительно, возможностей графена, открытых и доказанных на сегодняшний день, более чем достаточно для полноценной замены кремния, но одно дело – единичные опыты в лаборатории, и совсем другое – производство массовой продукции в коммерческих масштабах. История науки насчитывает множество поучительных примеров, когда потрясающие открытия учёных так и не дали ожидаемой от них производственной отдачи. Причины тому могут быть самые разные, например, сводящие к убытку затраты энергии при производстве (физкульт-привет производителям биотоплива из стеблей кукурузы!), с трудом поддающиеся исследованию физические свойства (термояд вам всем ещё покажет!), развитие более безопасных и практичных технологий (впрочем, дирижабли ещё не спели свою последнюю песню!), и множество других. Вот почему, рассказывая о чудесах графена, в дальнейшем хотелось бы хоть немного быть уверенным в том, что этот потенциальный путь развития заведомо не тупиковый.

Изготовление графеновых пластин, на базе которых становится возможным массовое производство графеновых полупроводников, связано с определёнными сложностями, прежде всего, с его уникальной одноатомной толщиной. Методы создания пластинок небольшой площади, достаточные для лабораторных опытов, совсем не подходят для промышленных масштабов: одно дело, фигурально выражаясь, послойно отдирать скотчем крохотные пластинки хаотично напластованного графена от графита, и совсем другое дело – получать пластины диаметром в десятки и сотни миллиметров с чётко ориентированными слоями графена.

Свежая новость из Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University), облетевшая новостные ленты уже в новом, 2010 году, на практике подтверждает возможность практического применения графеновых полупроводников и проливает свет на перспективы массового производства графеновой электроники. Разработчикам из Электрооптического Центра (Electro-Optics Center, EOC) при кафедре материаловедения Пенсильванского университета удалось впервые изготовить графеновую подложку (пластину, если вам так привычнее) диаметром 4 дюйма, то есть, 100 мм.

Для изготовления графеновой подложки учёные из EOC Дэвид Шнайдеру (David Snyder) и Рэнди Кавалеро (Randy Cavalero) использовали процесс кремниевой сублимации – термической обработки пластины карбида кремния в высокотемпературной печи, в результате которого, после полного удаления кремния, на поверхности остаётся слой плёнки из углерода толщиной в один-два атома, что, по сути, и является пластиной самого настоящего графена. Стоит упомянуть, что предыдущие успехи учёных EOS с применением метода кремниевой сублимации ограничивались получением графеновых подложек диаметром лишь 50 мм. Результаты по производству графеновых пластин большого диаметра, получаемые в других лабораториях, пока скромнее. Так, учёным из британской Национальной лаборатории физики (National Physical Laboratory, NPL) также совсем недавно удалось "вырастить" пластины графена площадью примерно 50 квадратных миллиметров. Правда, для этого исследователи из NPL использовали эпитаксиальный метод, при котором на подложке из карбида кремния графен формируется послойно. В любом случае, открытия учёных из EOS и NPL можно назвать серьёзной вехой на пути развития графеновой электроники в направлении массового производства. Даже 4-дюймовые графеновые пластины могут со временем стать основой для производства различных электронным компонентов. Так, исследователи из EOC уже в самое ближайшее время планируют начать исследования высокочастотных полевых транзисторов, производимых на 100-мм графеновых пластинах таким "полупромышленным" способом. На снимке ниже - 100-мм графеновая пластина, на которой расположено около 22 тысяч полупроводников с соответствующей тестовой обвязкой.

Для справки: благодаря тому, что электроны могут двигаться в графене с очень высокой скоростью (значительно большей чем в кремнии), графеновая электроника изначально сулит появление терагерцовых процессоров, скорость которых теоретически сможет превышать современные кремниевые полупроводники на пару порядков. Правда, для достижения высоких результатов учёным ещё предстоит прилично потрудиться над чистотой и однородностью получаемых графеновых пластин, поскольку именно от этого в первую очередь зависит возможность достижения предельных тактовых частот получаемых полупроводников. Графеновая подложка диаметром 100 мм – это уже что-то, однако для плавной интеграции в современное полупроводниковое производство, где наиболее ходовыми являются 200-мм и 300-мм кремниевые пластины, этого недостаточно. Увы, 4 дюйма – это на сегодняшний день максимальный диаметр серийно выпускаемых подложек из карбида кремния. Однако для создания графеновых пластин большего диаметра в настоящее время разрабатываются методы, отличные от кремниевой сублимации. В частности, разработчики Джошуа Робинсон (Joshua Robinson), Марк Фэнтон (Mark Fanton), Брайан Виланд (Brian Weiland), Кэтлин Трамбал (Kathleen Trumbull) и Майкл ЛаБелла (Michael LaBella) из той же лаборатории EOC разрабатывают метод синтезирования графена на кремнии. В случае успеха это позволит производить пластины диаметром 200 мм и более, а, значит, плавно интегрировать процессы производства графеновых полупроводников в уже существующую инфраструктуру полупроводниковой индустрии.

Ещё один интересный и перспективный метод получения графеновых пластин непосредственно на кремниевых подложках предлагают учёные из Корнельского университета (Cornell University). В своих предыдущих исследованиях учёные накопили опыт выращивания графена на подложке из тончайшей медной фольги, сформированной в виде специального напыления непосредственно на кремниевой пластине. Формирование необходимых конфигураций дорожек и площадей из полученных таким образом графеновых плёнок производится с использованием стандартных методов фотолитографии, после чего ненужная более медная подложка удаляется химическим способом. Результат – графеновая плёнка на кремниевой пластине с минимумом дефектов.

Заручившись успехом в экспериментах с подложками небольшой площади, учёные из Корнельского университета приступили к следующему этапу, и в настоящее время исследуют возможности выращивания графеновых поверхностей на полномасштабных 4-дюймовых подложках. Такой способ может быть весьма интересен на дальнейшую перспективу благодаря отличной масштабируемости, теоретически – и на значительно большие площади.

Как видите, поводов для оптимизма в плане перспектив развития графеновой электроники предостаточно. И, хотя до сих пор никто не возьмётся указать дату или хотя бы год, когда в наших компьютерах, телевизорах и прочей бытовой электронике появятся первые графеновые "радиодетальки", время это стремительно приближается.

С одной стороны, у классической кремниевой электроники остаётся всё меньше времени до достижения физических лимитов технологии. С другой стороны, если развитие графеновой электроники ещё немного сохранит нынешние взрывные темпы, смена кремния графеном пройдёт плавно и вовремя, без нарушения непререкаемого до сих пор Закона Мура.

Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения: