Ameerika Ühendriikide teadlased töötasid välja uue viisi grafeenist transistorite valmistamiseks. Uus meetod ületab olulisima probleemi, mis on olnud seni takistuseks elektroonikaseadmetes kasutatava räni asendamisel grafeeniga. Samuti valmistati selle tehnoloogia abil seni kiireim grafeentransistor.
Uurimuse läbi viinud teadlased laboris.
Praegu pooljuhttööstuses kasutatavad töötlusmeetodid ei sobi grafeeni töötlemiseks, sest tekitavad materjali sisse defekte, halvendades seeläbi selle tööomadusi. Selle probleemi lahendamiseks töötas Xiangfeng Duan koos kolleegidega California Ülikoolist vällja uue tootmismeetodi, kus grafeentransistori paisuelektroodina kasutatakse alumiiniumiga kaetud nanojuhtmeid. Seadme lätte- ja neeluelektroodid valmivad tänu isekorrastuvale protsessile, kus nanojuhtmed käituvad kui ‘maskid’ – protsess, kus väheneb ka transistori takistus, parandades seadme tööomadusi veel enamgi, kirjutab physicsworld.com.
Tavapärased töötlusmeetodid, mille abil kõrgtehnoloogilisi ränist metalloksiidpooljuht väljatransistoreid(field-effect transistor, MOSFET) valmistatakse, koosnevad isekorrastuva paisu struktuuri kasutamisest, mis kindlustab lätte-, neelu- ja paisuelektroodide täpse paigutuse. Protsess hoiab ära elektroodide asetumise üksteise peale, vähendades seadme takistust. Sama tehnoloogia ei tööta aga grafeeni puhul, sest see tekitab vältimatult materjali pinnale defekte.
Grafeentransistor.
Duan koos kolleegida kasutasid oma transistoris ülemise paisuelektroodina hoopiski koobalt-silitsiid-alumiinium südamikukesta nanojuhet. See dielektriline nanostruktuur valmistatakse eraldi ning paigutatakse seejärel grafeenkihi peale. Selline tehnoloogia hoiab ära materjalis defektide tekke, sõnas Duan.
Seejärel asetasid teadlased grafeeni pinnale ka õhukese kihi plaatina. See saavutati eraldades nanojuhtmega grafeeni kaheks regiooniks. Kaks ala moodustavad nii nanojuhtmest paisu kõrvale isekorrastuvad lätte- ja neeluelektroodid. Selle meetodi puhul määrab mask ka seadme paisu pikkuse, mis antud juhul oli ligi 140 nanomeetrit.
Valminud seadmetel on senistest seadmetest kõrgeim tõusu väärtus, täpsemalt 1.27 mSµm-1. Mikrolainepikkustel tehtud mõõtmised näitavad, et transistoritel on ka rekordiline sisemine äralõikesagedus, mis jääb vahemikku 100–300 GHz, mis on ligi kaks korda kõrgem sama suurte parimate ränipõhiste MOSFETide vastavast näitajast. Elektronide liikuvus seadmes on umbes 20 000 cm2/Vs, mis on samuti ligi kaks korda kõrgem turunduslike ränitransistorite vastavast näitajast.
Järgnevalt on teadlastel plaanis valmistada väiksema paisu pikkusega transistoreid, misläbi peaks suurenema ka äralõikesagedus.
Ent nagu ükskõik millise iseehitatud seadme puhul ei pruugi selle argielus kasutuselevõtt olla nii lihtne. Lähiajal jääb üheks suureks probleemiks miniatuursete transistorite reaalsetele arvutikiipidele paigutamine. On väga lihtne kinnitada üksik nanojuhe grafeenikihil suvalisse kohta ning ehitada selle ümber vastav seade, kuid mitmetuumalistes protsessorites on neid tänapäeval miljardeid. Isegi usaldusväärse ning kontrollitava kiibi ehitamine, kus on pelgalt 10, 100 või 1000 transistorit, jääb suureks väljakutseks.
“Lisaks, kuigi seadme omadused on parimad, mis ülalt-alla lähenemisega seni konstrueeritud on, ei näe ma, et see kunagi turule jõuaks,” kommenteeris uut transistorit Joerg Heber, materjaliteaduse spetsialist ajakirjast Nature. Põhjusena toob ta grafeeni peamise plussi – kuna grafeen on kahe-dimensiooniline, on selle töötlemine äärmiselt kerge. Praeguse transistori kuju ei paista aga seda juhusliku paigutuse korral piisavalt hästi ära kasutavat.
Igaljuhul ei saa see kerge olema. “Seni on olnud mitmeid töörühmi, kes on lubanud ränitööstuse lõplikult pankrotti viia, aga seni on nad kõik ebaõnnestunud,” jääb Andrew Geim, üks grafeeniuuringute pioneeridest Manchesteri ülikoolist, grafeentransistorite suhtes skeptiliseks.
Teadusartikkel “High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate”
Toimetasid: Stiina Kristal & Jaan-Juhan Oidermaa