IT-Day

Вручив в 2010 году Нобелевскую премию за разработку метода получения графена и изучения его основных свойств, научное сообщество показало, сколь перспективным материалом является моноатомный слой углерода с шестигональной двумерной кристаллической решеткой. Его уникальные свойства – высокая механическая жесткость, высокая тепло-, а значит, и электропроводность, высокая подвижность носителей заряда – обещают нам революцию в электронике. Предполагалось даже, что впоследствии графен сможет полностью заменить кремний в современных интегральных микросхемах, в том числе и в различного рода процессорах. Но компания IBM буквально на днях во всеуслышание заявила, что графен вряд ли приведет к закату эпохи кремниевой цифровой электроники.

Казалось бы, многочисленные успешные лабораторные эксперименты доказывали огромный потенциал графена как заменителя кремния. Сотрудники лабораторий, входящих в состав IBM, смогли получить графеновый транзистор, работающий на частоте 100 ГГц; позднее в лаборатории Калифорнийского университета был создан полевой транзистор с рабочей частотой 300 ГГц. Казалось бы, дорога к «терагерцовым» интегральным микросхемам открыта, и их разработка лишь дело времени. И все это благодаря уникальным свойствам графена.

На деле всё оказывается намного сложнее. Свойства графеновых транзисторов, показывающих чудеса быстродействия, отличаются от свойств транзисторов, которые применяются в цифровой микроэлектронике. Главный недостаток (применительно к цифровой электронике и вычислительным системам) графена заключается в отсутствии у этого материала запрещенной зоны. Другими словами, не удастся добиться двух состояний с различной проводимостью, а это является важнейшим условием для цифровой электроники. Полевые транзисторы на основе кремния, при приложении к затвору напряжения, закрываются или, наоборот, открываются (в зависимости от типа полевого транзистора). Графен построить такие транзисторы не позволяет – они будут находиться лишь в одном, проводящем (открытом) состоянии.

Итак, создание устройств цифровой электроники на основе графена оказывается невозможным. Другое дело, что применение графена в интегральных микросхемах, наряду с кремнием, может привести к созданию гибридных микросхем, расширяющих функциональность привычных сегодня микрочипов. Например, радиочастотная электроника базируется на транзисторах, для которых не так важно иметь два различных состояния (логический «нуль» и «единица»). Здесь куда важнее усилительные свойства транзисторов.

 

 

 

Формирование запрещенной зоны у графена

 

Впрочем, относительно недавние исследования сотрудников Калифорнийского университета в Беркли показали, что вполне возможно сформировать запрещенную зону в графене. Был создан полевой транзистор на основе двух слоев графена. Приложив электрическое поле, перпендикулярно плоскости слоев графена, формируют столь желанную запрещенную зону. У этого подхода есть свои плюсы и минусы. Основной недостаток – ширина запрещенной зоны составляет лишь четверть ширины запрещенной зоны кремниевых устройств. То есть, полноценной замены кремнию все равно нет, подобные транзисторы подойдет разве что для создания фотодетекторов или фотодиодов. С другой стороны, исследователи обнаружили, что шириной запрещенной зоны можно управлять. А это позволяет создавать уникальные устройства оптоэлектроники, которые можно настраивать на работу с оптическим излучением нужной длины волны, либо фотоизлучатели, цвет излучения которых легко контролируется и изменяется.

Создание устройств на основе графена с запрещенной зоной расширяет спектр применения этого материала. Вполне возможно, что новые исследования позволят увеличить ширину запрещенной зоны, и тогда уже графен сможет конкурировать с кремнием. Получится ли задуманное, или нет – неясно. Но уже сейчас видно, что графен – уникальный материал, свойства которого только начинают изучать, и сейчас попросту невозможно сказать, сколь широкой окажется область его применения в микро- и наноэлектронике.