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Transistores de grafeno que pueden funcionar a velocidades vertiginosas
IBM ha creado transistores de grafeno que dejan a los de silicio en el polvo. Los dispositivos prototipo, hechos de láminas de carbono del grosor de un átomo, funcionan a 100 gigahercios, lo que significa que pueden encenderse y apagarse 100 mil millones de veces por segundo, aproximadamente 10 veces más rápido que los transistores de silicio más rápidos.
Interruptores rápidos: Estos conjuntos de transistores, impresos en una oblea de carburo de silicio, funcionan a velocidades de 100 gigahercios.
Los transistores se crearon utilizando procesos que son compatibles con la fabricación de semiconductores existente, y los expertos dicen que podrían ampliarse para producir transistores para dispositivos de imágenes, radar y comunicaciones de alto rendimiento en los próximos años, y para procesadores informáticos rápidos en una década. más o menos.
Los investigadores han hecho previamente transistores de grafeno utilizando laboriosos métodos mecánicos, por ejemplo, desprendiendo láminas de grafeno del grafito; los transistores más rápidos fabricados de esta manera han alcanzado velocidades de hasta 26 gigahercios. Los transistores fabricados con métodos similares no han igualado estas velocidades.
Hacer crecer los transistores en una oblea no solo conduce a un mejor rendimiento, también es más factible comercialmente, dice Phaedon Avouris , líder del grupo de ciencia y tecnología a nanoescala del IBM Watson Research Center en Ossining, Nueva York, donde se llevó a cabo el trabajo.
En última instancia, el grafeno tiene el potencial de reemplazar al silicio en los procesadores de computadora de alta velocidad. A medida que las computadoras se vuelven más rápidas cada año, el silicio se acerca cada vez más a sus límites físicos, y el grafeno proporciona un reemplazo potencial prometedor porque los electrones se mueven a través del material mucho más rápido que a través del silicio. Incluso sin optimizar el diseño, estos transistores ya son 2,5 veces mejores que el silicio, dice Yu-Ming Lin , otro investigador de IBM Watson que colaboró con Avouris.
Otros investigadores han fabricado transistores muy rápidos utilizando materiales semiconductores costosos como el fosfuro de indio, pero estos dispositivos solo funcionan a bajas temperaturas. En teoría, el grafeno tiene las propiedades materiales necesarias para permitir que los transistores funcionen a velocidades de terahercios a temperatura ambiente.
Los investigadores de IBM cultivaron grafeno en la superficie de una oblea de carburo de silicio de dos pulgadas. El proceso comienza cuando calientan la oblea hasta que el silicio se evapora, dejando una fina capa de carbono, conocida como grafeno epitaxial. Esta técnica se ha utilizado antes para fabricar transistores, pero el equipo de IBM mejoró el proceso utilizando mejores materiales para las otras partes del transistor, en particular el aislante.
Las propiedades del grafeno son muy sensibles a su entorno, dice Lin. Por eso, el grupo de IBM se centró en diseñar una nueva capa aislante, la parte del transistor que evita cortocircuitos. Descubrieron que agregar una capa delgada de un polímero entre el dieléctrico y el grafeno mejoraba el rendimiento. El trabajo se describe esta semana en la revista Ciencias .
Walter de Heer , profesor de física en Georgia Tech en Atlanta que fue pionero en los métodos utilizados para trabajar con grafeno epitaxial, dice que el dispositivo de IBM es un hito debido a su velocidad y porque se fabricó utilizando técnicas prácticas de fabricación. Esto no es un pastel en el cielo, esto es real, dice. Este desarrollo realmente se convertirá en un dispositivo de comunicaciones dentro de poco tiempo.
Se pueden aplicar las mismas tecnologías de procesamiento para acercarse mucho más a un producto, dice Avouris. El año pasado, el mismo grupo de IBM y un grupo independiente en Laboratorios HRL en Malibu, CA, ambos fabricaron transistores de grafeno de 10 gigahercios utilizando un método complicado llamado exfoliación mecánica. Este proceso implica despegar capas de una pequeña pieza de grafito hasta que quede una sola hoja de un átomo de espesor, luego colocarla sobre un sustrato y tallarla para formar un transistor. El problema con este enfoque es que compromete las propiedades eléctricas del grafeno y no es escalable comercialmente, dice Avouris.
Las primeras aplicaciones de los transistores de grafeno probablemente serán como interruptores y amplificadores en la electrónica militar analógica. De hecho, el trabajo del grupo de IBM está respaldado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. Pero los investigadores dicen que pasarán años antes de que la empresa comience el desarrollo comercial de la electrónica de carbono.
De Heer señala que los dispositivos de IBM aún no se dan cuenta de todo el potencial del grafeno. Al controlar cuidadosamente las condiciones de crecimiento, su grupo ha creado grafeno que conduce electrones 10 veces más rápido que el material utilizado por el equipo de IBM. Este grafeno de mayor calidad podría, en teoría, usarse para hacer transistores que alcancen velocidades de terahercios, aunque De Heer dice que muchas cosas podrían salir mal durante la ampliación.
Avouris dice que el equipo de IBM trabajará para mejorar la velocidad de sus transistores miniaturizándolos. Los que ha fabricado hasta ahora tienen 240 nanómetros de largo, que es relativamente grande: los componentes electrónicos de silicio se reducen a unos 20 nanómetros. Avouris también cree que su rendimiento podría mejorarse haciendo que la capa aislante sea más delgada. El siguiente paso es intentar integrar estos transistores en un circuito verdaderamente operativo, dice.