Grafen Yarı İletkenler ve Silikon Ötesi Çip Üretim Teknolojileri

Grafen Yarı İletkenler ve Çip Mimarilerinde Yeni Çağ

Özellik ne işe yarar?

Yarı iletken endüstrisi onlarca yıldır Moore Yasası\’na paralel olarak silikon (Si) atomik katmanlarını küçülterek transistör yoğunluğunu artırmıştır. Ancak 2 nanometre ve altındaki ölçeklerde kuantum tünelleme etkileri (quantum tunneling) nedeniyle elektrik sızıntıları baş gösterir; silikon çipler aşırı ısınır ve fiziksel sınırlarına ulaşır. Grafen (Graphene), tek bir atom kalınlığında altıgen bal peteği örgüsüne sahip karbon atomlarından oluşan iki boyutlu bir mucize malzemedir. Grafenin elektron hareketliliği (electron mobility) silikona kıyasla 140 kat daha hızlıdır ve elektriği neredeyse sıfır dirençle iletir. Ancak doğal grafende bir \’Bant Aralığı\’ (Band Gap) bulunmadığı için transistör olarak (açma/kapama – 0 ve 1 yapabilme) doğrudan kullanılamıyordu. Georgia Tech ve uluslararası araştırmacıların geliştirdiği \’Yarı İletken Grafen\’ (Semiconductor Graphene – SECG) teknolojisi, grafene atomik seviyede bant aralığı kazandırarak silikonun yerini alabilecek ilk gerçek alternatif haline gelmiştir. Grafen çipler, Terahertz (THz) saat frekanslarında çalışabilir ve ısınma problemi yaşamadan işlem gücünü katlar.

Nasıl uygulanır?

Grafen yarı iletken çiplerin üretimi için Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD – Chemical Vapor Deposition) yöntemleri kullanılır. Çekirdeklendirme aşamasında, silikon karbür (SiC) kristal altlıklar (wafers) yüksek sıcaklıklı vakum fırınlarında ısıtılarak silikon atomları buharlaştırılır ve yüzeyde ultra saf tek katmanlı grafen yapısı oluşturulur. Ardından, geleneksel litografi donanımlarına uygun maskeleme adımlarıyla grafen katmanlar üzerinde nano-kanallar oyularak Transistör (FET – Field Effect Transistor) kapıları tanımlanır. Üretilen grafen nano-şeritler (Graphene Nanoribbons), mevcut CMOS fabrikasyon hatlarına özel tampon katmanlar vasıtasıyla entegre edilebilir.

İyi sonuç için ipuçları

Grafen katmanların kristal yapısındaki atomik kusurları (defects) engellemek için CVD işleminde argon ve hidrojen gaz taşıyıcı oranlarını hassas şekilde kalibre edin. Transistör anahtarlama performansını artırmak için grafen yüzeyini Bor Nitrür (h-BN) gibi diğer iki boyutlu yalıtkan malzemelerle sandviç mimarisinde (van der Waals heterostrukturlar) birleştirin.

Dikkat edilmesi gerekenler

Grafenin seri üretimi ve gofret (wafer) ölçeğinde pürüzsüz büyütülmesi henüz yüksek maliyetlidir; ilk aşamada hibrit silikon-grafen yüksek frekans RF çiplerinde ticari kullanım hedeflenmelidir. Laboratuvar mikroskop verilerini ve Raman Spektroskopisi grafiklerini resmî raporlardan sunun.