Учёные создали первый в мире работающий полупроводник на основе графена, который может проложить путь к созданию чипов, которые будут использоваться в гораздо более быстрых ПК и квантовых компьютерах в будущем.
Новый полупроводниковый материал, изготовленный из эпитаксиального графена (особой кристаллической структуры углерода, химически связанного с карбидом кремния), обеспечивает большую подвижность, чем кремний, то есть электроны движутся с меньшим сопротивлением. Транзисторы, изготовленные таким образом, могут работать на терагерцовых частотах — в 10 раз быстрее, чем кремниевые транзисторы, используемые в современных чипах, — написали учёные в исследовании, опубликованном 3 января в журнале Nature.
Полупроводники обладают свойствами как проводников, так и изоляторов. В правильном температурном диапазоне электроны движутся через полупроводниковый материал, но только при приложении определённого количества энергии.
Почти в каждом чипе используется полупроводник, изготовленный из кремния, но этот материал достигает своих пределов, сообщил ведущий исследователь Уолт де Хир (Walt de Heer), профессор Технологического института Джорджии, в электронном письме Live Science. Эти ограничения включают максимальную скорость, с которой транзисторы могут «переключаться» между положениями включения и выключения, тепло, которое они выделяют за счёт сопротивления, и наименьший размер, который люди могут изготовить.
Это означает, что стремительный прогресс, который мы наблюдали на протяжении всей истории вычислительной техники, начинает замедляться.
В свою очередь графен состоит из одного слоя атомов углерода, плотно связанных в гексагональную решетку, и является лучшим проводником, чем кремний, а это означает, что электроны движутся через материал с меньшим сопротивлением.
Несмотря на свои благоприятные свойства, графен никогда не использовался в электронике из-за отсутствия «запрещённой зоны» — минимального количества энергии, необходимой для перемещения электронов при воздействии на них электрического поля. Запрещённая зона – это то, что позволяет транзисторам включаться и выключаться.
Чтобы функционировать как рабочий транзистор, графен должен быть каким-то образом обработан, но в прошлом это ухудшало его свойства, сказал де Хир.
Однако исследователи решили эту проблему, сплавив графен с карбидом кремния с помощью специальных печей и специального процесса нагрева и охлаждения. Помещая в графен атомы, которые «отдают» электроны системе, что известно как «легирование», они создали функциональный графеновый полупроводник с запрещённой зоной.
Это не только первый работающий полупроводник на основе графена, но его также можно интегрировать в существующие производственные процессы. Переход от производства кремниевых пластин к пластинам из карбида кремния, используемым в эпитаксиальном графене, «вполне возможен», сказал де Хир.
Полупроводники на основе графена также могут быть использованы в будущем в квантовых вычислениях, пишут учёные в своём исследовании.
«Как и свет, электроны в графене обладают волновыми квантово-механическими свойствами, которые можно использовать в устройствах, особенно при очень низких температурах», — сказал де Хир.
Это область, которую учёные надеются изучить в последующих исследованиях, но де Хир отметил, что ещё неизвестно, смогут ли полупроводники на основе графена работать лучше, чем нынешняя сверхпроводниковая технология, которая используется в самых передовых квантовых компьютерах.
