Araştırmacılar, ilk işlevsel grafen tabanlı çipi geliştirdiklerini iddia ediyor

• Silikonun hız, ısı ve minyatürleşme sınırları büyürken, Georgia Tech araştırma ekibi işlevsel bir grafen tabanlı yarı iletkenin mevcut bilgisayarlar ve gelecekteki kuantum bilgisayar malzemeleri için bir alternatif olabileceğini savunuyor
• Anahtar nokta, silicon carbide(SiC) ile bağlanmış epitaksiyel grafen; ekip buna SEC veya epigraphene adını veriyor ve bunun mevcut silikondan daha yüksek elektron hareketliliği gösterdiğini belirtiyor
• Üretim yöntemi, SiC'yi 1.000°C'nin üzerine ısıtarak yüzeydeki silikonu buharlaştırmaya dayanıyor; süreç ekipmanı ve malzeme maliyetleri çip başına yaklaşık 10 dolar, crucible için yaklaşık 1 dolar ve quartz tube için yaklaşık 10 dolar olarak veriliyor
• Mevcut grafen elektronik aygıtlarında band gap eksikliği nedeniyle transistörleri tamamen kapatmak zordu; ancak ekibin SEC yaklaşımı, dijital elektroniğin gerektirdiği tam kesme olasılığını öne çıkarıyor
• Ekip, bunu mevcut silikon hatlarına basitçe eklemektense SiC tabanlı silikon sonrası bir paradigmayı hedefliyor; gerçek olgunluk düzeyi ise bundan sonra yapılacak geliştirme çalışmalarına büyük ölçüde bağlı

---

Georgia Tech'in grafen tabanlı yarı iletken iddiası

• Georgia Tech araştırma ekibi, dünyanın ilk işlevsel grafen tabanlı yarı iletkenini geliştirdiğini iddia ediyor
• Çalışma 3 Ocak'ta Nature'da yayımlandı ve Georgia Tech fizik profesörü Walt de Heer tarafından yürütüldü
• Temel malzeme, silicon carbide(SiC) ile kimyasal olarak bağlanmış bir karbon kristal yapısı olan epitaksiyel grafen
  • Ekip bu yarı iletken malzemeye semiconducting epitaxial graphene, SEC, ya da epigraphene adını veriyor
  • SEC'nin mevcut silikondan daha yüksek elektron hareketliliğine sahip olduğu ve elektronların çok daha düşük dirençle hareket edebildiği belirtiliyor

Üretim yöntemi ve maliyet

• Üretim yöntemi, 50 yıldan uzun süredir bilinen basit bir tekniğin değiştirilmiş bir versiyonu
• SiC 1.000°C'nin üzerine ısıtıldığında, yüzeydeki silikon buharlaşıyor ve karbon açısından zengin yüzey grafene dönüşüyor
• Gerçek süreç, argon quartz tube içinde iki SiC çip yığınının graphite crucible içine yerleştirilmesiyle yürütülüyor
  • quartz tube çevresindeki copper coil'den yüksek frekanslı akım geçiriliyor
  • İndüksiyonla graphite crucible ısıtılıyor
  • Süreç yaklaşık 1 saat sürüyor
• Bu şekilde üretilen SEC özünde yük-nötr durumda ve havaya maruz kaldığında oksijen nedeniyle doğal olarak doping kazanıyor
  • Oksijen doping'i vakumda yaklaşık 200°C'ye ısıtılarak kolayca giderilebiliyor
• de Heer'in verdiği maliyetler, kullanılan çip için yaklaşık 10 dolar, crucible için yaklaşık 1 dolar ve quartz tube için yaklaşık 10 dolar

Mevcut grafen yarı iletken yaklaşımlarından farkı

• 2008'den beri, SiC ile birlikte vakumda ısıtıldığında grafenin yarı iletken gibi davranmasının sağlanabileceği biliniyordu
• de Heer'in yöntemi, band gap oluşumu açısından fark yaratıyor diye değerlendiriliyor
  • Değiştirilmiş yöntem doğru kullanıldığında bağlar son derece düzenli şekilde oluşuyor
  • Makalede yüksek hareketlilik elde edildiği belirtiliyor
• Mevcut grafen elektronik aygıtlarında, band gap eksikliği nedeniyle transistörleri açıp kapatmakta zorluk yaşanıyordu
• Grafeni yarı iletken hale getirmeye yönelik önceki araştırmalar yaklaşık 10 yıldır sürüyordu ve grafene atomları kimyasal olarak bağlayarak band gap oluşturma yöntemlerini de içeriyordu
  • de Heer, önceki yöntemlerin kimyasal veya mekanik yapı sorunları nedeniyle hareketliliği düşük yarı iletken grafen ürettiğini düşünüyor

Grafen şerit ve wrinkle yaklaşımının sınırları

• graphene ribbon, umut verici bir yaklaşım olarak görülüyordu ancak yarı iletken özellik gösterebilmesi için çok belirli bir genişliğe ve armchair edge yapısına sahip olması gerekiyor
  • Bu koşul ribbon genişliğiyle ters orantılı
  • ribbon'ların kimyasal yöntemlerle üretilmesi uygun görülüyor ve sonrasında altlık üzerine hassas biçimde yerleştirilip metallic wire ile birbirine bağlanmaları gerekiyor
• de Heer, graphene nanoribbon teknolojisinin ilke olarak semiconducting carbon-nanotube teknolojisine çok benzediğini söylüyor
  • carbon-nanotube teknolojisinin 30 yıllık nanotube araştırmasına rağmen başarılı olamadığını değerlendiriyor
• Grafene wrinkle ekleyerek band gap açma yöntemi de bulunuyor
  • Mekanik deformasyonla band gap açılabiliyor
  • En fazla 0.2 electron volts düzeyinde bir band gap gösterildi
  • Silikonun band gap'i ise 1.12 eV ile çok daha büyük
  • Küçük band gap nedeniyle uygulama potansiyeli belirsiz ve hareketlilik verisinin eksikliği de sorun olmaya devam ediyor

SEC'nin öne çıkardığı teknik avantajlar

• Ekip, kusursuz ve atomik düzeyde düz SiC terrace üzerinde geniş alanlı yarı iletken SEC ürettiklerini belirtiyor
• SiC'nin son derece gelişmiş ve kolay temin edilebilen bir elektronik malzeme olduğu, ayrıca mevcut microelectronics süreçleriyle tamamen uyumlu olduğu ifade ediliyor
• SEC, mevcut silikon tabanlı transistörlerden 10 kat daha hızlı terahertz frekansında çalışan transistörleri mümkün kılabilir
• Ticari graphene field-effect transistor(GFET) ile arasındaki temel fark, yarı iletken grafen kullanılıp kullanılmaması
  • Mevcut GFET'ler yarı iletken grafen kullanmadığı için tam transistor shutdown gerektiren dijital elektronik için uygun değil
  • Ekip, kendi SEC yaklaşımlarının tam kesmeyi mümkün kılarak dijital elektroniğin katı gereksinimlerini karşıladığını düşünüyor

Silikon sınırları ve kuantum bilişim olasılığı

• Yarı iletkenler tüm elektronik cihazların temel bileşenidir ve hem iletken hem de yalıtkan özellikler taşır
• Günümüzde ana akım yarı iletken malzeme olan silikon, hız, ısı üretimi ve minyatürleşme açısından sınırlarına yaklaşıyor
• de Heer, bilişim tarihindeki hızlı ilerlemenin silikondaki bu kısıtlar nedeniyle yavaşladığını düşünüyor
• Grafen, altıgen kafes halinde dizilmiş tek katmanlı karbon atomlarından oluşur ve silikondan daha iyi bir iletken olarak daha verimli elektron taşınmasına yardımcı olur diye değerlendiriliyor
• Ekip, grafen tabanlı yarı iletkenlerin kuantum bilişimde önemli bir rol oynayabileceğini düşünüyor
  • Çok düşük sıcaklıklarda grafen cihazlarda kullanıldığında, elektronlar ışıkta görülenlere benzer kuantum mekaniksel dalga özellikleri gösteriyor
  • de Heer, graphene electronics'in silicon electronics'in erişemediği elektron ve hole'ların kuantum mekaniksel dalga özelliklerinden yararlanabileceğini söylüyor
• Ancak grafen tabanlı yarı iletkenlerin gelişmiş kuantum bilgisayarlardaki mevcut superconducting teknolojiyi aşabileceği konusu daha fazla araştırma gerektiriyor

Geliştirme yönü ve kalan zorluklar

• Georgia Tech ekibi, grafen tabanlı yarı iletkenleri standart silikon ya da compound semiconductor hatlarına yerleştirme yönünde düşünmüyor
• Hedef, SiC kullanarak silikon sonrası bir paradigmaya geçmek
• Ekip, SEC'yi boron nitride ile kaplamak gibi koruma ve mevcut yarı iletken hatlarıyla uyumluluğu artırma yöntemleri geliştiriyor
• de Heer, bu teknolojinin gelişmesinin zaman alacağını düşünüyor
  • Bu başarıyı Wright brothers'ın ilk 100 metrelik uçuşuna benzetiyor
  • Gelecekteki ilerlemenin büyük ölçüde geliştirme için ne kadar emek harcanacağına bağlı olduğunu söylüyor

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Asıl noktayı biraz gömmüşler gibi geliyor. Sonlarda “mevcut GFET’ler (grafen transistörler) yarı iletken grafen kullanmadığı için, transistörün tamamen kapatılması gereken dijital elektronik devreler için uygun değildir. [...] Araştırma ekibinin geliştirdiği SEC malzemesi tam kesme sağlayabildiğinden dijital elektronik devrelerin katı gereksinimlerini karşılıyor” deniyor.
  Eskiden duyduğuma göre grafen transistörlerin sorunu tam da buydu. Doğrusal olmayan tepki var ama akım akışını kesemediği için dijital mantıkta işe yaramıyor, yalnızca analog devrelerde faydalı oluyordu. Gerçi okuyalı epey oldu; belki biri çoktan çözmüştür.

  • Bu sanırım bant aralığı sorunundan bahsediyor.
    Bu sorun için iyi bir açıklama burada var: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
    İlgili kısmı özetlersek, GFET hızlı ve verimli bir transistördür ama bant aralığı yoktur. Bant aralığı olmadığında valans bandı ile iletim bandı 0 voltta buluşur ve grafen metal gibi davranır. Silikon gibi yarı iletkenlerde ise iki bant arasındaki boşluk normal koşullarda yalıtkan gibi davranır.
    Normalde elektronların valans bandından iletim bandına geçmesi için ek enerji gerekir; FET’lerde ise bias voltajı yokken yalıtkan gibi davranan bant üzerinden, bias voltajı akım akışını mümkün kılar. Ancak GFET’lerde bant aralığı olmadığı için transistörü kapatmak zordur; tamamen kapatılamadığından açık/kapalı akım oranı yaklaşık 5’te kalır ve bu da mantık işlemleri için düşüktür. Bu yüzden dijital devrelerde zordur, ama analog devrelerde sorun daha azdır; yükselteçler, karma sinyal devreleri vb. için uygundur.
    Birçok araştırma ekibi negatif direnç yaklaşımları veya aşağıdan yukarı sentez üretim teknikleri gibi yöntemlerle bu bant aralığı sorununu çözmeye çalışıyor.
  • Yarı analog bir transistörse yapay zeka hesaplamaları için epey iyi olabilir diye düşünüyorum. Matris çarpımı, sigmoid, tanh gibi işlemler yani.
  • Makalede bahsedilen bant aralığı ile ilgili kısım bu. Var, ama çok kararsız.

• “Sonuçta mevcut çiplerde kullanılan silikon tabanlı transistörlerden 10 kat daha yüksek hız sunan ve terahertz frekanslarda çalışabilen bir transistör ortaya çıktı” cümlesi var; neden 10 kat olduğunu anlamıyorum.
  Biz tek haneli gigahertz düzeyindeyiz; terahertz ise kabaca 100 kat daha hızlı olması gerekmez mi?

  • Saat frekansı gerçekten tek haneli gigahertz seviyesinde. Ama dijital sinyallerin birçok mantık kapısı katmanından geçerek yayılması gerektiğinden, transistörün kendisinin çok daha hızlı anahtarlaması gerekir.
    Kabaca bakınca makalede “terahertz” hızının anahtarlama frekansını mı yoksa kazanç bant genişliğini (fT) mi ifade ettiği açık değil. Bugün bile fT’si yüzlerce gigahertz olan transistörler gayet mümkün.
  • Dijital bilgisayarların saat hızı tek haneli GHz’lerde, ama analog devrelerde silikonla bile yaklaşık 100GHz mümkün. Örneğin otomotiv radar çipleri veya iletişim sistemleri gibi.
    Buradaki THz ifadesi analog devrelerle ilgili görünüyor; bu yeni teknolojinin bundan kabaca 10 kat yüksek olduğu kastediliyor olmalı. Daha fazlasını öğrenmek isterseniz transistörlerde Fmax ve Ft’ye bakabilirsiniz.
  • Tüm çip ölçeğinde tek haneli gigahertz, ama tek transistör ölçeğinde değil.
  • Elektrik mühendisi değilim, ama mevcut transistörlerin de mevcut çiplerden çok daha yüksek saat hızlarında çalışabilmesi büyük olasılık.
    Sorun, bunları çok sıkı entegre edince aşırı ısınmaları ve Dennard ölçeklemesinin tek tek transistör sınırına kadar ulaşamaması olabilir.
  • Tek transistör düzeyindeki frekans ile çip düzeyindeki frekans farklıdır. Her saat aşamasında birden çok transistör katmanı bulunur.

• Üretim süreci, silikonun yol açtığı yerel ekolojik felaketle kıyaslanınca oldukça dostane görünüyor.
  Yine de yarım yüzyıldır gelişen silikon ekosistemiyle rekabet etmek gerçekten zor. Bugünlerde STEM yeteneklerinin yazılıma daha çok çekilmesi de var…

  • Bu sadece sağduyulu bir tercih. Yarı iletken şirketlerinde iyi para kazanmak zor; alan dar olduğundan şanslıysanız bölgenizdeki bir iki şirketin kaprislerine bağlı kalırsınız. İşveren kötü davransa da çıkıp kendi çip üretim işinizi kuramazsınız.
    Yazılım daha demokratikleşmiş durumda ve ailenizin servetini büyütme olasılığı da çok daha yüksek. Ne var ki yozlaşmış düzenleyici kurumlar, çalışanların kendi yollarına gidebilecekleri merdivenleri olabildiğince tekmelemeye çalışıyor. Örneğin Birleşik Krallık’taki değişen IR35 yasası, küçük ölçekli hizmet tabanlı işletme yürütmeyi ciddi biçimde kısıtlıyor.
  • Ölçek büyütülüp ticarileşene kadar bekleyin; o kâbus geri dönecek.
    Rahatsız edici ve sıra dışı kimyasalların birçok üretim sürecini daha ucuz hale getirdiği ve büyük ölçekli partileri mümkün kıldığı üzücü bir gerçek. Tüm sınırlar zorlanırken ve riskler yüksekken bu seçenekleri tamamen dışlamak zor.

• Doğru okuduysam bu daha kesin olarak bir grafen wafer değil mi? Üzerinde devre yok, sadece grafen tabaka gibi görünüyor. Bu haliyle bile etkileyici, ama “çalışan çip” demek zor görünüyor.

  • Evet. Yazarı yarı iletken ile çip arasındaki farkı anlamamış gibi. Araştırmacılar “çalışan yarı iletken” demiş.
  • Muhtemelen epitaksiyel olarak büyütülmüş grafen katmanında desenlenmiş tek bir aygıt. Çalışan bir transistör veya transistör kümesi olabilir, ama tek aygıt olarak pek kullanışlı olmayabilir.
    Genellikle bu tür aygıtlarda prob değdirilebilmesi için büyük metal pad’ler desenlenir ve karakterizasyon oradan yapılır.
  • Makaleyi ve yayını kabaca gözden geçirdim; makalede bağlantısı verilen yayın, araştırmacıların MOSFET performansını karakterize ettiğini söylüyor.
  • Malzeme bilimi çözüldüğünde sonraki fark sadece mühendislik alanına girer.

• Tam araştırma makalesi burada: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
  Kavram kanıtı aygıtı da yapılmış. “Üretilen üst kapılı SEG FET karakterize edilerek SEG’nin elektriksel özellikleri ölçüldü” deniyor.

• Önceki tartışma: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 ve https://news.ycombinator.com/item?id=38878780

• Kritik nokta, bunu silikon kadar etkili biçimde işleyip küçültebilip küçültemeyeceğimiz. Yine de birilerinin belirttiği gibi, buna dayalı transistörler zaten yapılmış durumda ve silikon için kullanılan süreçlerin aynen kullanılabileceği de iddia ediliyor; umarım iyi gider.

  • Doğru. Silikon tabanlı olanlardan çok daha hızlı anahtarlama yapan yarı iletkenler zaten var, ama bu işin yalnızca yaklaşık %10’u.
    Küçültme teknolojisi, fab ekipmanları, bu alandaki mühendis ve bilim insanlarının uzmanlığı, iletken/yarı iletken/yalıtkan katmanlar ve arayüzler gibi çok daha fazla unsur var. Mevcut silikon ekosisteminin dışındaki gelişmeleri duymak güzel, ancak yalnızca “daha iyi malzeme” olduğu için silikonu yerinden etmek çok zor. Yeni bir teknoloji yığınına geçmek için muhtemelen mevcut teknolojiye kıyasla devrim niteliğinde bir avantaj, örneğin 100 kat iyileşme gibi bir şey gerekir.
  • Silikon tabanlı çipler, transistörleri bağlamak için oksit katmanlarına ve metal katmanlara dayanır. Grafen tabanlı aygıtlarda bunun nasıl çalışacağı yalnızca makaleden net değil.
    Bu, GaAs tabanlı çiplerde de bir sorundu. GaAs Wikipedia sayfasında “Si’nin ikinci büyük avantajı, yalıtkan olarak kullanılan doğal oksit filmin, yani silisyum dioksitin (SiO2) varlığıdır” deniyor.
  • O seviyeye ulaşamasa bile, soğutucu olmadan akıl almaz derecede yüksek akımları kaldırabilen bir MOSFET ise harika olur.

• “Bu ısıtma adımı, iki SiC çipin üst üste konup grafit bir potaya yerleştirilmesi ve bunun da argon kuvars tüpün içine konmasıyla gerçekleştirilir. Ardından kuvars tüpün etrafındaki bakır bobine yüksek frekanslı akım verilerek indüksiyon yoluyla grafit pota ısıtılır” açıklaması, sonuçta tüp fırın kullanıldığı anlamına gelmiyor mu?
  de Heer “Kullandığımız çip yaklaşık 10 dolar, pota yaklaşık 1 dolar, kuvars tüp yaklaşık 10 dolar” demiş; ama tüp fırın, kendiniz yapıp etrafta zaten bulunan binlerce dolarlık ekipmanı maliyetten düşmediğiniz sürece 10 dolar değil.

  • O, süreçte kullanılan sarf malzemelerinin fiyatından bahsediyor. Bina, elektrik, çalışanlar ve başka pek çok şeye de ihtiyaç olduğu çıkarımla anlaşılabilir.

• Sorun her zaman ölçekleme ve ekipmanda. Mevcut altyapıdan yararlanılmıyorsa başarı şansı düşük.

  • Karbonu hesaplama için kullanmada temel bir sorun da olduğunu düşünüyorum. Aslında karbon o kadar bol değil ve sahip olduğumuz karbonun çoğu, bizi hayatta tutan organik kimya için gerekli.
    Referans olarak, karbon Dünya kütlesinin yaklaşık %0,18’ini oluştururken silikon %27,7’sini oluşturur. Ay’da ise neredeyse hiç karbon yoktur; regolitin %20’si silikondur.

• Ultra yüksek hızlı çiplere ihtiyaç duyulan, ama silikon tabanlı çiplerin dolduramadığı bir niş var mı? Küçük bir şirketin az miktarda üretimle bile ayakta kalabileceği bir pazar olup olmadığını, yoksa bunun ancak büyük ölçekli üretimde mi mümkün olacağını merak ediyorum.

  • Elbette var. Örneğin ağ anahtarlarında işlem hızı talebi neredeyse sınırsızdır.