นักวิจัยอ้างว่าพัฒนาชิปที่ใช้กราฟีนเชิงฟังก์ชันได้เป็นครั้งแรก
(spectrum.ieee.org)- ท่ามกลางข้อจำกัดของซิลิคอนที่เพิ่มขึ้นทั้งด้านความเร็ว ความร้อน และการย่อส่วน ทีมวิจัยจาก Georgia Tech อ้างว่า เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กราฟีนซึ่งทำงานได้จริง อาจเป็นทางเลือกแทนวัสดุสำหรับคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันและคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต
- แกนหลักคือ epitaxial graphene ที่ยึดติดกับ silicon carbide(SiC) ซึ่งทีมวิจัยเรียกว่า SEC หรือ epigraphene และระบุว่าแสดง mobility ของอิเล็กตรอนสูงกว่าซิลิคอนแบบเดิม
- วิธีผลิตคือให้ความร้อน SiC ที่อุณหภูมิ มากกว่า 1,000°C เพื่อทำให้ซิลิคอนบนพื้นผิวระเหยออก โดยระบุว่าต้นทุนอุปกรณ์และวัสดุในกระบวนการอยู่ที่ประมาณ 10 ดอลลาร์ต่อชิป, ประมาณ 1 ดอลลาร์ต่อ crucible และประมาณ 10 ดอลลาร์ต่อ quartz tube
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กราฟีนแบบเดิมทำให้ทรานซิสเตอร์ปิดสนิทได้ยาก เนื่องจาก ไม่มี bandgap แต่ SEC ของทีมวิจัยชูจุดเด่นเรื่องความเป็นไปได้ในการตัดการนำไฟฟ้าได้สมบูรณ์ตามที่อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลต้องการ
- ทีมวิจัยไม่ได้ตั้งเป้าแค่นำไปเสียบเพิ่มในสายการผลิตซิลิคอนเดิม แต่ตั้งเป้าสู่ พาราไดม์หลังยุคซิลิคอน ที่ใช้ SiC เป็นฐาน โดยระดับความพร้อมใช้งานจริงจะขึ้นอยู่กับความพยายามในการพัฒนาที่จะ投入ต่อไปอย่างมาก
ข้ออ้างของ Georgia Tech เรื่องเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กราฟีน
- ทีมวิจัยจาก Georgia Tech อ้างว่าได้พัฒนา เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กราฟีนเชิงฟังก์ชัน เป็นครั้งแรกของโลก
- งานวิจัยเผยแพร่เมื่อวันที่ 3 มกราคมใน Nature และนำโดย Walt de Heer ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ของ Georgia Tech
- วัสดุหลักคือ epitaxial graphene ซึ่งเป็นโครงสร้างผลึกคาร์บอนที่ยึดติดทางเคมีกับ silicon carbide(SiC)
- ทีมวิจัยเรียกวัสดุเซมิคอนดักเตอร์นี้ว่า semiconducting epitaxial graphene, SEC หรือ epigraphene
- ทีมระบุว่า SEC มี mobility ของอิเล็กตรอนสูงกว่าซิลิคอนแบบเดิม ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้ด้วยความต้านทานต่ำกว่ามาก
วิธีผลิตและต้นทุน
- วิธีผลิตเป็นการดัดแปลงเทคนิคง่าย ๆ ที่เป็นที่รู้จักมานานกว่า 50 ปี
- เมื่อให้ความร้อน SiC ที่อุณหภูมิ มากกว่า 1,000°C ซิลิคอนบนพื้นผิวจะระเหยออก และพื้นผิวที่มีคาร์บอนสูงจะก่อตัวเป็นกราฟีน
- กระบวนการจริงทำโดยนำสแต็กชิป SiC สองชิ้นใส่ใน graphite crucible ภายใน argon quartz tube
- ป้อนกระแสความถี่สูงผ่าน copper coil รอบ quartz tube
- ใช้การให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำเพื่อทำให้ graphite crucible ร้อนขึ้น
- ระยะเวลากระบวนการประมาณ 1 ชั่วโมง
- SEC ที่ได้ด้วยวิธีนี้โดยเนื้อแท้จะอยู่ในสถานะเป็นกลางทางประจุ และเมื่อสัมผัสอากาศจะถูกโดปตามธรรมชาติด้วยออกซิเจน
- การโดปด้วยออกซิเจนสามารถกำจัดได้ง่ายโดยให้ความร้อนประมาณ 200°C ในสุญญากาศ
- ต้นทุนที่ de Heer ระบุคือชิปที่ใช้ประมาณ 10 ดอลลาร์, crucible ประมาณ 1 ดอลลาร์ และ quartz tube ประมาณ 10 ดอลลาร์
ความแตกต่างจากแนวทางเซมิคอนดักเตอร์กราฟีนแบบเดิม
- ตั้งแต่ปี 2008 เป็นที่รู้กันว่าเมื่อนำ SiC ไปให้ความร้อนในสุญญากาศ จะทำให้กราฟีนทำงานคล้ายเซมิคอนดักเตอร์ได้
- วิธีของ de Heer ถูกประเมินว่าสร้างความแตกต่างในเรื่อง การเกิด bandgap
- หากใช้วิธีที่ปรับแก้อย่างถูกต้อง พันธะจะก่อตัวอย่างเป็นระเบียบมาก
- ในบทความวิจัยระบุว่าแสดง mobility สูง
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กราฟีนแบบเดิมมีปัญหาในการเปิดและปิดทรานซิสเตอร์ เนื่องจากไม่มี bandgap
- งานวิจัยที่พยายามทำให้กราฟีนเป็นเซมิคอนดักเตอร์ดำเนินต่อเนื่องมาราว 10 ปีแล้ว รวมถึงแนวทางการสร้าง bandgap ด้วยการยึดอะตอมเข้ากับกราฟีนทางเคมี
- de Heer มองว่าวิธีเดิม ๆ ทำให้ได้กราฟีนเซมิคอนดักเตอร์ที่มี mobility ต่ำ เพราะปัญหาด้านโครงสร้างทางเคมีหรือทางกล
ข้อจำกัดของแนวทาง graphene ribbon และ wrinkle
- graphene ribbon เคยถูกมองว่าเป็นแนวทางที่มีศักยภาพ แต่จะแสดงสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ได้ก็ต่อเมื่อมีความกว้างเฉพาะเจาะจงมากและมี armchair edge
- เงื่อนไขดังกล่าวแปรผกผันกับความกว้างของ ribbon
- ribbon เหมาะจะผลิตด้วยวิธีทางเคมี และสุดท้ายต้องถูกวางบนซับสเตรตอย่างแม่นยำ พร้อมเชื่อมต่อถึงกันด้วย metallic wire
- de Heer กล่าวว่าเทคโนโลยี graphene nanoribbon โดยหลักการแล้วคล้ายกับเทคโนโลยี semiconducting carbon-nanotube มาก
- เขาประเมินว่าเทคโนโลยี carbon-nanotube ยังไม่ประสบความสำเร็จ แม้จะมีงานวิจัย nanotube มานาน 30 ปีแล้ว
- ยังมีแนวทางเปิด bandgap ด้วยการใส่ wrinkle ในกราฟีน
- การเปลี่ยนรูปทางกลสามารถเปิด bandgap ได้
- มีการสาธิต bandgap สูงสุด 0.2 electron volts
- bandgap ของซิลิคอนอยู่ที่ 1.12 eV ซึ่งใหญ่กว่ามาก
- เนื่องจาก bandgap เล็ก ความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้งานจึงยังไม่ชัดเจน และการขาดข้อมูล mobility ก็ยังเป็นปัญหาอยู่
ข้อได้เปรียบทางเทคนิคที่ SEC ชูขึ้นมา
- ทีมวิจัยระบุว่าได้สร้าง SEC แบบเซมิคอนดักเตอร์พื้นที่กว้าง บน SiC terrace ที่ไร้ข้อบกพร่องและเรียบระดับอะตอม
- SiC เป็นวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่พัฒนาไปมากและหาได้ง่าย อีกทั้งถูกประเมินว่าเข้ากันได้เต็มที่กับกระบวนการ microelectronics แบบเดิม
- SEC อาจทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงานที่ความถี่ระดับ terahertz ได้ ซึ่ง เร็วกว่า 10 เท่า เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์บนซิลิคอนแบบเดิม
- ความแตกต่างสำคัญเมื่อเทียบกับ graphene field-effect transistor(GFET) เชิงพาณิชย์ คือมีการใช้กราฟีนชนิดเซมิคอนดักเตอร์หรือไม่
- GFET แบบเดิมไม่ได้ใช้กราฟีนชนิดเซมิคอนดักเตอร์ จึงไม่เหมาะกับอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลที่ต้องการให้ transistor shutdown ได้อย่างสมบูรณ์
- ทีมวิจัยมองว่า SEC ของพวกเขาสามารถตัดการนำไฟฟ้าได้สมบูรณ์ จึงตอบโจทย์ข้อกำหนดที่เข้มงวดของอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล
ข้อจำกัดของซิลิคอนและความเป็นไปได้ด้านควอนตัมคอมพิวติ้ง
- เซมิคอนดักเตอร์เป็นชิ้นส่วนหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด และมีสมบัติทั้งของตัวนำและฉนวน
- ซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์กระแสหลักในปัจจุบัน กำลังเข้าใกล้ข้อจำกัดด้านความเร็ว ความร้อน และการย่อส่วน
- de Heer มองว่าความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในประวัติศาสตร์คอมพิวติ้งกำลังชะลอลงเพราะข้อจำกัดเหล่านี้ของซิลิคอน
- กราฟีนคือคาร์บอนอะตอมชั้นเดียวที่เรียงตัวเป็นโครงข่ายหกเหลี่ยม และถูกประเมินว่าเป็นตัวนำที่ดีกว่าซิลิคอน ช่วยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า
- ทีมวิจัยมองว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กราฟีนอาจมีบทบาทสำคัญใน ควอนตัมคอมพิวติ้ง
- เมื่อใช้กราฟีนในอุปกรณ์ที่อุณหภูมิต่ำมาก อิเล็กตรอนจะแสดงสมบัติคลื่นเชิงกลศาสตร์ควอนตัมที่คล้ายกับที่เห็นในแสง
- de Heer กล่าวว่า graphene electronics สามารถใช้ประโยชน์จากสมบัติคลื่นเชิงกลศาสตร์ควอนตัมของอิเล็กตรอนและ hole ซึ่ง silicon electronics เข้าถึงไม่ได้
- อย่างไรก็ตาม ยังต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กราฟีนจะก้าวข้ามเทคโนโลยี superconducting ปัจจุบันของคอมพิวเตอร์ควอนตัมขั้นสูงได้หรือไม่
ทิศทางการพัฒนาและโจทย์ที่เหลือ
- ทีม Georgia Tech ไม่ได้มองแนวทางการนำเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กราฟีนไปใส่ในสายการผลิตซิลิคอนมาตรฐานหรือ compound semiconductor
- เป้าหมายคือการใช้ SiC เพื่อย้ายไปสู่ พาราไดม์หลังยุคซิลิคอน
- ทีมวิจัยกำลังพัฒนาวิธีเพื่อการป้องกันและเพิ่มความเข้ากันได้กับสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เดิม เช่น การเคลือบ SEC ด้วย boron nitride
- de Heer มองว่าเทคโนโลยีนี้จะใช้เวลาในการพัฒนา
- เขาเปรียบเทียบความสำเร็จครั้งนี้กับการบิน 100 เมตรครั้งแรกของ Wright brothers
- ผลลัพธ์ในอนาคตจะขึ้นอยู่เป็นหลักกับว่าจะทุ่มเทงานพัฒนาเข้าไปมากเพียงใด
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
รู้สึกเหมือนประเด็นสำคัญถูกซ่อนไว้หน่อย ๆ ตอนท้ายมีข้อความว่า “GFET แบบเดิม (ทรานซิสเตอร์กราฟีน) ไม่ได้ใช้กราฟีนที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ จึงไม่เหมาะกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลที่ต้องปิดทรานซิสเตอร์ได้อย่างสมบูรณ์ [...] วัสดุ SEC ที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นสามารถตัดการนำไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์ จึงตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล”
เท่าที่เคยได้ยินมา ปัญหาของ ทรานซิสเตอร์กราฟีน ก็คือเรื่องนี้นี่แหละ แม้จะมีการตอบสนองแบบไม่เชิงเส้น แต่ตัดการไหลของกระแสไม่ได้ จึงไม่มีประโยชน์กับลอจิกดิจิทัล และมีประโยชน์แค่วงจรแอนะล็อกเท่านั้น แต่ก็อ่านมานานแล้ว อาจมีใครแก้ได้ไปแล้วก็ได้
คำอธิบายที่ดีเกี่ยวกับปัญหานี้อยู่ที่นี่: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
สรุปส่วนที่เกี่ยวข้องคือ GFET เป็นทรานซิสเตอร์ที่เร็วและมีประสิทธิภาพ แต่ไม่มี bandgap หากไม่มี bandgap แถบเวเลนซ์และแถบนำไฟฟ้าจะมาบรรจบกันที่ 0 โวลต์ ทำให้กราฟีนทำงานเหมือนโลหะ ในสารกึ่งตัวนำอย่างซิลิคอน ช่องว่างระหว่างสองแถบนี้ทำให้มันทำงานเหมือนฉนวนภายใต้สภาวะปกติ
โดยทั่วไป อิเล็กตรอนต้องใช้พลังงานเพิ่มเพื่อข้ามจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้า และใน FET เมื่อไม่มีแรงดันไบอัส แถบที่ทำงานเหมือนฉนวนจะทำให้แรงดันไบอัสเป็นตัวเปิดให้กระแสไหลได้ แต่ GFET ไม่มี bandgap จึงปิดทรานซิสเตอร์ได้ยาก และปิดสนิทไม่ได้ ทำให้อัตราส่วนกระแสเปิด/ปิดอยู่ที่ประมาณ 5 เท่านั้น ซึ่งถือว่าต่ำสำหรับการคำนวณเชิงลอจิก ดังนั้นจึงยากสำหรับวงจรดิจิทัล แต่ในวงจรแอนะล็อกปัญหาน้อยกว่า จึงเหมาะกับแอมพลิฟายเออร์ วงจร mixed-signal เป็นต้น
หลายทีมวิจัยกำลังศึกษาวิธีแก้ปัญหา bandgap นี้ด้วยแนวทางต่าง ๆ เช่น แนวทางความต้านทานเชิงลบ หรือเทคนิคการผลิตแบบสังเคราะห์จากล่างขึ้นบน
มีประโยคว่า “ผลลัพธ์คือทรานซิสเตอร์ที่ให้ความเร็วสูงกว่าทรานซิสเตอร์ฐานซิลิคอนที่ใช้ในชิปปัจจุบัน 10 เท่า และสามารถทำงานที่ความถี่เทราเฮิรตซ์ได้” แต่ไม่เข้าใจว่าทำไมถึงเป็น 10 เท่า
ตอนนี้เราอยู่ระดับกิกะเฮิรตซ์หลักหน่วย ถ้าเป็น เทราเฮิรตซ์ ก็น่าจะเร็วขึ้นราว 100 เท่าไม่ใช่หรือ?
มองคร่าว ๆ แล้ว ในบทความไม่ชัดเจนว่า “เทราเฮิรตซ์” หมายถึงความถี่สวิตช์ชิ่ง หรือหมายถึงแบนด์วิดท์อัตราขยาย (fT) ทุกวันนี้ทรานซิสเตอร์ที่มี fT หลายร้อยกิกะเฮิรตซ์ก็เป็นไปได้อยู่แล้ว
เรื่อง THz ในที่นี้น่าจะเกี่ยวกับวงจรแอนะล็อก และหมายความว่าเทคโนโลยีใหม่นี้สูงกว่านั้นประมาณ 10 เท่า ถ้าอยากรู้เพิ่มเติมให้ลองค้นหา Fmax และ Ft ของทรานซิสเตอร์
ปัญหาคือนำพวกมันมาอัดแน่นเข้าด้วยกันแล้วจะร้อนเกินไป ทำให้ Dennard scaling ไปไม่ถึงขีดจำกัดของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว
กระบวนการผลิตดูค่อนข้างเป็นมิตร เมื่อเทียบกับหายนะทางนิเวศในท้องถิ่นที่ซิลิคอนก่อขึ้น
แต่การจะแข่งกับ อีโคซิสเต็มซิลิคอน ที่พัฒนามากว่าครึ่งศตวรรษนั้นยากจริง ๆ อีกอย่างทุกวันนี้คนเก่งสาย STEM ก็ถูกดึงไปทางซอฟต์แวร์กันเยอะ…
ซอฟต์แวร์เป็นประชาธิปไตยมากกว่า และมีโอกาสเพิ่มความมั่งคั่งให้ครอบครัวได้สูงกว่ามากด้วย เพียงแต่หน่วยงานกำกับดูแลที่ทุจริตพยายามเตะบันไดที่แรงงานจะใช้เดินตามทางของตัวเองให้มากที่สุด เช่น กฎหมาย IR35 ที่แก้ไขแล้วของสหราชอาณาจักรจำกัดการทำธุรกิจขนาดเล็กที่อิงบริการอย่างมาก
ความจริงอันน่าเศร้าคือสารเคมีที่ไม่น่าพึงประสงค์และเฉพาะทางจำนวนมากทำให้กระบวนการผลิตหลายอย่างถูกลงและผลิตเป็นแบตช์ใหญ่ได้ง่ายขึ้น เมื่อทุกคนพยายามดันทุกขีดจำกัดและเดิมพันสูง ก็ยากที่จะตัดตัวเลือกแบบนั้นออกไปทั้งหมด
ถ้าผมอ่านถูก นี่ควรเรียกให้แม่นกว่าว่า เวเฟอร์กราฟีน ไม่ใช่หรือ? ดูเหมือนไม่ได้มีวงจรวางอยู่ แค่เป็นแผ่นกราฟีนเฉย ๆ ถึงอย่างนั้นก็สุดยอด แต่ดูยากจะเรียกว่า “ชิปที่ทำงานได้”
ปกติอุปกรณ์แบบนี้จะทำแพตเทิร์นเป็นแผ่นโลหะขนาดใหญ่ไว้ให้เอาโพรบแตะได้ แล้ววัดคุณลักษณะจากตรงนั้น
เปเปอร์วิจัยฉบับเต็มอยู่ที่นี่: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
พวกเขาทำอุปกรณ์พิสูจน์แนวคิดด้วย มีข้อความว่า “ได้ระบุคุณลักษณะของ SEG FET แบบ top-gate ที่ผลิตขึ้น เพื่อวัดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของ SEG”
การอภิปรายก่อนหน้า: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 และ https://news.ycombinator.com/item?id=38878780
ประเด็นสำคัญคือจะสามารถแปรรูปและทำให้มัน ย่อส่วนลง ได้อย่างมีประสิทธิภาพเทียบเท่าซิลิคอนหรือไม่ แต่ถึงอย่างนั้น อย่างที่มีคนชี้ไว้ ก็มีการสร้างทรานซิสเตอร์บนพื้นฐานของสิ่งนี้แล้ว และยังมีข้ออ้างว่าสามารถใช้กระบวนการที่ใช้กับซิลิคอนได้แบบเดิม จึงหวังว่าจะไปได้สวย
ยังมีปัจจัยอีกมาก เช่น เทคโนโลยีการย่อส่วน, อุปกรณ์ในแฟ็บ, ความเชี่ยวชาญของวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ในสาขานั้น, ชั้นและรอยต่อของตัวนำ/เซมิคอนดักเตอร์/ฉนวน เป็นต้น การได้ยินความก้าวหน้านอกระบบนิเวศซิลิคอนเดิมเป็นเรื่องดี แต่การจะแทนที่ซิลิคอนได้เพียงเพราะเป็น “วัสดุที่ดีกว่า” นั้นยากมาก หากจะย้ายไปสู่สแต็กเทคโนโลยีใหม่ คงต้องมีข้อได้เปรียบแบบปฏิวัติเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีปัจจุบัน เช่น ดีขึ้นสัก 100 เท่า
นี่ก็เคยเป็นปัญหาในชิปที่ใช้ GaAs เช่นกัน ในวิกิพีเดียของ GaAs ระบุว่า “ข้อได้เปรียบสำคัญอันดับสองของ Si คือการมีออกไซด์ธรรมชาติที่ใช้เป็นฉนวน นั่นคือซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2)”
ถ้าคำอธิบายคือ “ขั้นตอนการให้ความร้อนนี้ทำโดยซ้อนชิป SiC สองชิ้นแล้วใส่ในเบ้าหลอมกราไฟต์ จากนั้นใส่ไว้ในท่อควอตซ์ที่มีอาร์กอน แล้วปล่อยกระแสความถี่สูงผ่านขดลวดทองแดงรอบท่อควอตซ์เพื่อให้ความร้อนแก่เบ้าหลอมกราไฟต์ด้วยการเหนี่ยวนำ” สุดท้ายก็หมายถึงการใช้ tube furnace ไม่ใช่หรือ?
de Heer บอกว่า “ชิปที่เราใช้ราคาประมาณ 10 ดอลลาร์ เบ้าหลอมประมาณ 1 ดอลลาร์ และท่อควอตซ์ประมาณ 10 ดอลลาร์” แต่ tube furnace ไม่ได้ราคา 10 ดอลลาร์ เว้นแต่ว่าจะทำเองและไม่นับอุปกรณ์ราคาหลายพันดอลลาร์ที่มีอยู่แล้วรอบตัวเข้าไปในต้นทุน
ปัญหามักอยู่ที่ การสเกลและอุปกรณ์ เสมอ หากไม่ใช้โครงสร้างพื้นฐานเดิม โอกาสสำเร็จก็ต่ำ
อ้างอิงเพิ่มเติม คาร์บอนคิดเป็นประมาณ 0.18% ของมวลโลก ส่วนซิลิคอนคือ 27.7% บนดวงจันทร์แทบไม่มีคาร์บอนเลย และเรโกลิธมีซิลิคอนอยู่ 20%
จะมีช่องว่างเฉพาะทางที่ต้องการ ชิปความเร็วสูงพิเศษ แต่ชิปที่ใช้ซิลิคอนเติมเต็มไม่ได้หรือไม่? ผมสงสัยว่าจะมีตลาดที่บริษัทขนาดเล็กผลิตเพียงปริมาณน้อยก็อยู่ได้ หรือว่าจะเป็นไปได้เฉพาะเมื่อผลิตในปริมาณมากเท่านั้น