- Mientras crecen los límites del silicio en velocidad, generación de calor y miniaturización, un equipo de Georgia Tech afirma que un semiconductor funcional basado en grafeno podría ser una alternativa a los materiales de las computadoras actuales y de futuras computadoras cuánticas
- La clave es el grafeno epitaxial unido a silicon carbide(SiC), al que el equipo llama SEC o epigraphene, y que, según indican, mostró una movilidad electrónica mayor que la del silicio convencional
- El método de fabricación consiste en calentar SiC a más de 1,000°C para evaporar el silicio de la superficie, y se presentan costos de equipos y materiales de proceso del orden de unos 10 dólares por chip, 1 dólar por crucible y 10 dólares por quartz tube
- Los dispositivos electrónicos de grafeno existentes tenían dificultades para apagar por completo los transistores debido a la ausencia de bandgap, pero el SEC del equipo destaca la posibilidad de un corte total requerido por la electrónica digital
- El equipo no busca simplemente insertarlo en las líneas de silicio existentes, sino apuntar a un paradigma posterior al silicio basado en SiC; su madurez real dependerá en gran medida del esfuerzo de desarrollo que se invierta de ahora en adelante
La afirmación de Georgia Tech sobre un semiconductor basado en grafeno
- Un equipo de investigación de Georgia Tech afirma haber desarrollado el primer semiconductor funcional basado en grafeno del mundo
- La investigación se publicó el 3 de enero en Nature y fue liderada por Walt de Heer, profesor de física en Georgia Tech
- El material central es el grafeno epitaxial, una estructura cristalina de carbono unida químicamente a silicon carbide(SiC)
- El equipo llama a este material semiconductor semiconducting epitaxial graphene, SEC, o epigraphene
- Señalan que el SEC tiene mayor movilidad electrónica que el silicio convencional, lo que permite que los electrones se muevan con una resistencia mucho menor
Método de fabricación y costos
- El método de fabricación es una modificación de una técnica simple conocida desde hace más de 50 años
- Cuando el SiC se calienta a más de 1,000°C, el silicio de la superficie se evapora y la superficie rica en carbono se forma como grafeno
- El proceso real se realiza colocando una pila de dos chips de SiC dentro de un graphite crucible en un argon quartz tube
- Se hace pasar corriente de alta frecuencia por un copper coil alrededor del quartz tube
- El graphite crucible se calienta por inducción
- El tiempo de proceso es de aproximadamente 1 hora
- El SEC producido de esta manera es esencialmente neutro en carga y, al exponerse al aire, se dopa de forma natural por el oxígeno
- El dopado con oxígeno se elimina fácilmente calentándolo a unos 200°C en vacío
- Según de Heer, los costos son de unos 10 dólares por el chip usado, alrededor de 1 dólar por el crucible y cerca de 10 dólares por el quartz tube
Diferencias con enfoques anteriores de semiconductores de grafeno
- Desde 2008 se sabía que calentar grafeno junto con SiC en vacío podía hacerlo comportarse como un semiconductor
- Se considera que el método de de Heer marca una diferencia en la formación del bandgap
- Si el método modificado se usa correctamente, los enlaces se forman de manera muy regular
- En el artículo, indican que mostró una alta movilidad
- Los dispositivos electrónicos de grafeno existentes tenían dificultades para encender y apagar transistores debido a la ausencia de bandgap
- La investigación previa para convertir el grafeno en semiconductor continuó durante cerca de 10 años e incluyó métodos para crear un bandgap mediante la unión química de átomos al grafeno
- de Heer considera que los métodos anteriores producían grafeno semiconductor de baja movilidad debido a problemas de estructura química o mecánica
Límites de los enfoques con graphene ribbon y wrinkle
- Los graphene ribbon se consideraban un enfoque prometedor, pero solo muestran propiedades semiconductoras si tienen un ancho muy específico y un armchair edge
- Esa condición es inversamente proporcional al ancho del ribbon
- Los ribbon son adecuados para fabricarse mediante métodos químicos y, finalmente, deben ubicarse con precisión sobre un sustrato e interconectarse con metallic wire
- de Heer afirma que la tecnología de graphene nanoribbon es, en principio, muy similar a la tecnología de semiconducting carbon-nanotube
- Evalúa que la tecnología de carbon-nanotube no ha tenido éxito incluso después de 30 años de investigación en nanotube
- También existe un método para abrir un bandgap introduciendo wrinkle en el grafeno
- La deformación mecánica puede abrir un bandgap
- Se ha demostrado un bandgap de hasta 0.2 electron volts
- El bandgap del silicio es de 1.12 eV, mucho mayor
- Debido al pequeño bandgap, su potencial de aplicación no está claro, y la falta de información sobre movilidad sigue siendo un problema
Ventajas técnicas que plantea el SEC
- El equipo afirma haber creado SEC semiconductor de gran área sobre una terrace de SiC sin defectos y atómicamente plana
- El SiC es un material electrónico muy desarrollado y fácilmente disponible, y se considera totalmente compatible con los procesos de microelectronics existentes
- El SEC podría permitir transistores con operación en frecuencias de terahertz, 10 veces más rápidos que los transistores convencionales basados en silicio
- La diferencia clave frente a los graphene field-effect transistor(GFET) comerciales es si se usa o no grafeno semiconductor
- Los GFET existentes no usan grafeno semiconductor, por lo que no son adecuados para la electrónica digital, que requiere un transistor shutdown completo
- El equipo considera que su SEC puede realizar un corte total y cumplir los requisitos estrictos de la electrónica digital
Límites del silicio y posibilidades para la computación cuántica
- Los semiconductores son componentes clave de todos los dispositivos electrónicos y combinan propiedades de conductores y aislantes
- El silicio, el material semiconductor dominante en la actualidad, se está acercando a sus límites en velocidad, generación de calor y miniaturización
- de Heer considera que el rápido avance en la historia de la computación se está desacelerando por estas restricciones del silicio
- El grafeno es una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal y se considera un conductor superior al silicio, lo que ayuda a un movimiento electrónico más eficiente
- El equipo cree que los semiconductores basados en grafeno pueden desempeñar un papel importante en la computación cuántica
- Si el grafeno se usa en dispositivos a temperaturas muy bajas, los electrones muestran propiedades ondulatorias de mecánica cuántica similares a las observadas en la luz
- de Heer afirma que graphene electronics puede aprovechar las propiedades ondulatorias de mecánica cuántica de electrones y holes que no son accesibles en silicon electronics
- Sin embargo, se necesita más investigación para determinar si los semiconductores basados en grafeno pueden superar la tecnología superconducting actual de las computadoras cuánticas avanzadas
Dirección de desarrollo y desafíos pendientes
- El equipo de Georgia Tech no contempla insertar los semiconductores basados en grafeno en líneas estándar de silicio o compound semiconductor
- El objetivo es pasar a un paradigma posterior al silicio aprovechando SiC
- El equipo está desarrollando métodos para protección y mayor compatibilidad con las líneas de semiconductores existentes, como recubrir el SEC con boron nitride
- de Heer considera que el desarrollo de esta tecnología tomará tiempo
- Compara este logro con el primer vuelo de 100 m de los Wright brothers
- Los avances futuros dependerán principalmente de cuánto trabajo se invierta en el desarrollo
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Siento que enterraron un poco lo más importante. Al final dice: “los GFET (transistores de grafeno) existentes no usan grafeno semiconductor, por lo que no son adecuados para circuitos electrónicos digitales, donde el transistor debe poder apagarse por completo. [...] El material SEC desarrollado por el equipo permite un corte completo y cumple con los estrictos requisitos de la electrónica digital”
Según recordaba, este era precisamente el problema de los transistores de grafeno. Tienen una respuesta no lineal, pero no pueden cortar el flujo de corriente, así que no sirven para lógica digital y solo son útiles en circuitos analógicos. Aunque hace bastante que leí sobre esto, así que quizá alguien ya lo resolvió
Aquí hay una buena explicación: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
Resumiendo la parte relevante, los GFET son transistores rápidos y eficientes, pero no tienen bandgap. Sin bandgap, la banda de valencia y la banda de conducción se tocan a 0 voltios, así que el grafeno se comporta como un metal. En semiconductores como el silicio, la separación entre ambas bandas hace que el material se comporte como un aislante en condiciones normales
Normalmente, los electrones necesitan energía adicional para pasar de la banda de valencia a la de conducción, y en un FET el voltaje de polarización permite el flujo de corriente a través de una banda que, sin polarización, se comporta como aislante. Pero como los GFET no tienen bandgap, es difícil apagarlos y no pueden apagarse por completo, por lo que la relación de corriente encendido/apagado se queda alrededor de 5, algo bajo para operaciones lógicas. Por eso son problemáticos para circuitos digitales, pero menos para circuitos analógicos, donde sí encajan en amplificadores, circuitos de señal mixta y similares
Varios equipos de investigación están trabajando en resolver este problema del bandgap con enfoques como resistencia negativa o técnicas de fabricación por síntesis bottom-up
tanh, etc.Hay una frase que dice: “El resultado es un transistor que ofrece velocidades 10 veces mayores que los transistores basados en silicio usados en los chips actuales y puede operar a frecuencias de terahercios”, pero no entiendo de dónde sale ese 10x
Si nosotros estamos en GHz de un solo dígito, ¿no debería terahercios ser algo así como 100 veces más rápido?
A simple vista, el artículo no deja claro si “terahercios” se refiere a la frecuencia de conmutación o al ancho de banda de ganancia (fT). Incluso hoy es perfectamente posible tener transistores con fT de varios cientos de GHz
Aquí lo de THz parece estar relacionado con circuitos analógicos, y probablemente quiere decir que esta nueva tecnología va unas 10 veces por encima de eso. Si quieres saber más, busca Fmax y Ft de un transistor
El problema probablemente es que, al integrarlos tan densamente, se calientan demasiado, así que el escalado de Dennard no llega hasta el límite de cada transistor individual
El proceso de fabricación se ve bastante amigable comparado con el desastre ecológico local que produce el silicio
Aun así, va a ser realmente difícil competir con el ecosistema del silicio, que lleva medio siglo desarrollándose. Y además hoy mucho talento STEM se siente más atraído por el software...
El software está mucho más democratizado y además ofrece una posibilidad mucho mayor de aumentar el patrimonio familiar. Aunque reguladores corruptos también intentan por todos los medios quitarles a los trabajadores la escalera para hacer su propio camino. Por ejemplo, la ley modificada IR35 en Reino Unido limita mucho operar pequeños negocios de servicios
La triste realidad es que muchos procesos de fabricación se vuelven más baratos y permiten producción en grandes lotes gracias a químicos desagradables y extraños. Cuando llevas todo al límite y hay mucho dinero en juego, es difícil descartar por completo esas opciones
Si lo entendí bien, ¿esto no sería más bien una oblea de grafeno? No parece que tenga un circuito encima, sino solo una lámina de grafeno. Aun así es impresionante, pero cuesta llamarlo un “chip funcional”
Normalmente, en estos dispositivos se hacen pads metálicos grandes para poder poner sondas y medir sus características
El paper completo está aquí: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
También fabricaron un dispositivo de prueba de concepto. Dice: “Se caracterizó el SEG FET de compuerta superior fabricado para medir las propiedades eléctricas del SEG”
Discusiones anteriores: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 y https://news.ycombinator.com/item?id=38878780
La clave es si esto se puede procesar y escalar con la misma eficacia que el silicio. Aun así, como ya señaló alguien, ya fabricaron transistores basados en esto, y también dicen que se pueden usar tal cual los procesos que se usan para el silicio, así que ojalá funcione
Hay muchos más factores: la tecnología de escalado, el equipo de fabs, la experiencia de los ingenieros y científicos del área, así como las capas e interfaces de conductor/semiconductor/aislante. Está bien escuchar sobre avances fuera del ecosistema actual del silicio, pero es muy difícil desplazar al silicio solo por tener un “material mejor”. Para migrar a un nuevo stack tecnológico, probablemente haría falta una ventaja revolucionaria frente a la tecnología actual, algo como una mejora de 100 veces
Esto también fue un problema en los chips basados en GaAs. En la Wikipedia de GaAs dice: “La segunda gran ventaja del Si es la existencia de un óxido nativo usado como aislante, es decir, dióxido de silicio (SiO2)”
Si la explicación es que “esta etapa de calentamiento se realiza apilando dos chips de SiC y colocándolos en un crisol de grafito, que luego se introduce en un tubo de cuarzo con argón. Después, se hace pasar una corriente de alta frecuencia por una bobina de cobre alrededor del tubo de cuarzo para calentar por inducción el crisol de grafito”, entonces, al final, ¿no significa que usan un tube furnace?
De Heer dijo que “los chips que usamos cuestan alrededor de 10 dólares, el crisol alrededor de 1 dólar y el tubo de cuarzo alrededor de 10 dólares”, pero un tube furnace no cuesta 10 dólares, a menos que lo hayan fabricado ellos mismos y estén excluyendo del costo el equipo de miles de dólares que ya tienen alrededor
El problema siempre está en el escalado y el equipo. Si no se aprovecha la infraestructura existente, las probabilidades de éxito son bajas
Como referencia, el carbono representa cerca del 0.18% de la masa de la Tierra, mientras que el silicio representa el 27.7%. En la Luna prácticamente no hay carbono, y el regolito es 20% silicio
¿Existe algún nicho donde se necesiten chips ultrarrápidos y los chips basados en silicio no puedan cubrirlo? Me pregunto si habría un mercado viable incluso si una empresa pequeña produjera poco volumen, o si esto solo sería posible con producción a gran escala