- シリコンの速度・発熱・微細化の限界が大きくなる中、Georgia Techの研究チームは、機能するグラフェンベース半導体が既存コンピューターや将来の量子コンピューター材料の代替になり得ると主張
- 中核は silicon carbide(SiC) に結合したエピタキシャルグラフェンで、研究チームはこれを SEC または epigraphene と呼び、既存のシリコンより高い電子移動度を示したと説明
- 製造法は SiC を 1,000°C以上に加熱して表面のシリコンを蒸発させる方式で、プロセス装置と材料コストはチップ約10ドル、crucible 約1ドル、quartz tube 約10ドルの水準とされる
- 従来のグラフェン電子デバイスはバンドギャップの欠如のためトランジスタを完全にオフにしにくかったが、研究チームの SEC はデジタル電子工学が要求する完全遮断の可能性を打ち出す
- 研究チームは既存のシリコンラインに単純に組み込むのではなく、SiC ベースのポストシリコン・パラダイムを目指しており、実際の成熟度は今後投入される開発努力に大きく左右される
Georgia Techのグラフェンベース半導体に関する主張
- Georgia Techの研究チームは、世界初の実用的なグラフェンベース半導体を開発したと主張
- 研究は1月3日に Nature に掲載され、Georgia Techの物理学教授 Walt de Heer が率いた
- 中心素材は silicon carbide(SiC) に化学的に結合した炭素結晶構造であるエピタキシャルグラフェン
- 研究チームはこの半導体材料を semiconducting epitaxial graphene、SEC、または epigraphene と呼ぶ
- SEC は既存のシリコンより電子移動度が高く、電子がはるかに低い抵抗で移動できると説明
製造方式とコスト
- 製造法は50年以上前から知られている単純な手法を改良したもの
- SiC を 1,000°C以上に加熱すると表面のシリコンが蒸発し、炭素が豊富な表面がグラフェンとして形成される
- 実際のプロセスは argon quartz tube の中で、2つの SiC チップスタックを graphite crucible に入れて進める
- quartz tube 周辺の copper coil に高周波電流を流す
- 誘導加熱で graphite crucible を加熱する
- プロセス時間は約1時間
- このように作られた SEC は本質的に電荷中性状態であり、空気にさらされると酸素によって自然にドーピングされる
- 酸素ドーピングは真空中で約200°Cに加熱すれば容易に除去できる
- de Heer が示したコストは、使用するチップ約10ドル、crucible 約1ドル、quartz tube 約10ドル
従来のグラフェン半導体アプローチとの違い
- 2008年から、SiC とともに真空中で加熱するとグラフェンを半導体のように動作させられることは知られていた
- de Heer の方法はバンドギャップ形成で違いを生むと評価される
- 改良された方法を正しく使えば結合が非常に規則的に形成される
- 論文では高い移動度を示したとされる
- 従来のグラフェン電子デバイスはバンドギャップの欠如のため、トランジスタのオン・オフが難しかった
- グラフェンを半導体化しようとする従来研究は約10年間続いており、グラフェンに原子を化学的に結合させてバンドギャップを作ろうとする方式も含まれる
- de Heer は、従来の方法は化学的または機械的構造の問題のため、移動度の低い半導体グラフェンを作っていたとみている
グラフェンリボンと wrinkle アプローチの限界
- graphene ribbon は有望なアプローチと見なされていたが、半導体特性を示すには非常に特定の幅と armchair edge を持つ必要がある
- この条件は ribbon 幅に反比例する
- ribbon は化学的手法で作るのが適しており、最終的には基板上に正確に配置して metallic wire で相互接続しなければならない
- de Heer は graphene nanoribbon 技術が原理的に semiconducting carbon-nanotube 技術と非常によく似ていると述べる
- carbon-nanotube 技術は30年にわたる nanotube 研究の後も成功していないと評価
- グラフェンにwrinkleを入れてバンドギャップを開く方法もある
- 機械的変形によってバンドギャップを開ける
- 最大 0.2 electron volts のバンドギャップが実証されている
- シリコンのバンドギャップは 1.12 eV ではるかに大きい
- 小さいバンドギャップのため応用可能性が不明確で、移動度情報の不足も課題として残る
SECが打ち出す技術的利点
- 研究チームは、欠陥がなく原子的に平坦な SiC terrace 上に広い面積の半導体 SECを作ったと説明
- SiC は高度に発展し容易に入手できる電子材料であり、既存の microelectronics プロセスと完全に互換性があると評価される
- SEC は既存のシリコンベーストランジスタより10倍高速な terahertz 周波数動作トランジスタを可能にし得る
- 商用 graphene field-effect transistor(GFET) との核心的な違いは、半導体性グラフェンを使うかどうかにある
- 従来の GFET は半導体性グラフェンを使わないため、完全な transistor shutdown が必要なデジタル電子工学には適していない
- 研究チームの SEC は完全遮断が可能で、デジタル電子工学の厳しい要求条件を満たすとみられる
シリコンの限界と量子コンピューティングの可能性
- 半導体はあらゆる電子機器の中核部品であり、導体と絶縁体の性質を併せ持つ
- 現在主流の半導体材料であるシリコンは、速度、発熱、微細化の面で限界に近づいている
- de Heer は、コンピューティング史における急速な進歩がシリコンのこうした制約のため鈍化しているとみている
- グラフェンは六角格子状に配列した炭素原子1層で、シリコンより優れた導体としてより効率的な電子移動を助けると評価される
- 研究チームは、グラフェンベース半導体が量子コンピューティングで重要な役割を果たし得るとみている
- 非常に低い温度でグラフェンをデバイスに用いると、電子は光で見られるものに似た量子力学的な波動性を示す
- de Heer は、graphene electronics が silicon electronics では扱えない電子と hole の量子力学的波動性を活用できると述べる
- ただし、グラフェンベース半導体が高性能量子コンピューターの現在の superconducting 技術を上回れるかどうかは、さらなる研究が必要
開発の方向性と残る課題
- Georgia Tech チームは、グラフェンベース半導体を標準的なシリコンまたは compound semiconductor ラインに組み込む方向は想定していない
- 目標は SiC を活用してポストシリコンのパラダイムへ移行すること
- 研究チームは、SEC を boron nitride でコーティングするなど、保護と既存半導体ラインとの互換性強化に向けた方法を開発中
- de Heer は、この技術開発には時間がかかるとみている
- 今回の成果を Wright brothers の最初の100m飛行になぞらえる
- 今後の成果は、開発にどれだけ多くの作業が投入されるかに主にかかっている
1件のコメント
Hacker News のコメント
肝心な点が少し埋もれている気がする。末尾のほうに「既存の GFET（グラフェントランジスタ）は半導体性グラフェンを使っていないため、トランジスタを完全にオフにする必要があるデジタル電子回路には適していない。[...] 研究チームが開発した SEC 材料は完全な遮断が可能で、デジタル電子回路の厳しい要件を満たす」とある
以前聞いたところでは、グラフェントランジスタの問題はまさにこれだった。非線形応答はあるが電流の流れを断てないためデジタル論理には役に立たず、アナログ回路にしか有用でないということ。ただ、読んでからかなり経っているので、すでに誰かが解決しているかもしれない
この問題のよい説明はここにある: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
関連部分を要約すると、GFET は高速で効率的なトランジスタだが、バンドギャップがない。バンドギャップがないと、価電子帯と伝導帯が 0 ボルトで接し、グラフェンが金属のように振る舞う。シリコンのような半導体では、2つの帯の間のギャップが通常条件下で絶縁体のように振る舞う
通常、電子が価電子帯から伝導帯へ移るには追加のエネルギーが必要で、FET ではバイアス電圧がないときに絶縁体のように振る舞う帯を通じて、バイアス電圧が電流の流れを可能にする。しかし GFET にはバンドギャップがないためトランジスタをオフにしにくく、完全にはオフにできないのでオン/オフ電流比は約 5 にとどまり、論理演算には低い。したがってデジタル回路には難しいが、アナログ回路では問題が少なく、増幅器やミックスドシグナル回路などには適している
複数の研究チームが、負性抵抗アプローチやボトムアップ合成の製造手法のような方法で、このバンドギャップ問題を解決しようと研究している
「その結果、現在のチップで使われるシリコンベースのトランジスタより 10 倍高速で、テラヘルツ周波数で動作できるトランジスタが生まれた」という文があるが、なぜ 10 倍なのかわからない
私たちは一桁ギガヘルツ程度なのだから、テラヘルツならおおよそ 100 倍は速いはずではないのか？
ざっと見たところ、記事では「テラヘルツ」の速度がスイッチング周波数を指すのか、利得帯域幅（fT）を指すのかが明確ではない。現在でも fT が数百ギガヘルツのトランジスタは十分に可能だ
ここでの THz の話はアナログ回路に関連するものに見え、この新技術がそれよりおよそ 10 倍高いという意味なのだろう。もっと知りたければ、トランジスタの Fmax と Ft を調べるとよい
問題は、それらを高密度に集積すると熱くなりすぎて、デナードスケーリングが個々のトランジスタの限界まで到達できない点なのだろう
製造プロセスは、シリコンが生み出す局所的な生態災害に比べるとかなり環境に優しそうに見える
ただし、半世紀にわたって発展してきたシリコンエコシステムと競争するのは本当に難しい。最近は STEM 人材がソフトウェア側に多く引き寄せられていることもあるし……
ソフトウェアのほうがより民主化されており、家族の富を増やせる可能性もはるかに高い。ただし腐敗した規制機関は、労働者が自分の道を進むための梯子をできるだけ蹴り倒そうと躍起になっている。たとえば英国で改正された IR35 法は、小規模なサービスベース事業の運営を大きく制限している
不快で特殊な化学物質は、多くの製造プロセスをより安くし、大量バッチを可能にしてくれるという悲しい現実がある。あらゆる限界を押し広げ、賭け金が大きい状況では、そうした選択肢を完全に排除するのは難しい
ちゃんと読めているなら、これはより正確にはグラフェンウェハではないか？ 回路が載っているのではなく、単なるグラフェンシートのように見える。それでもすごいが、「動作するチップ」と呼ぶのは難しそうだ
通常こうした素子では、プローブを当てられるように大きな金属パッドをパターン形成し、そこで特性を測定する
論文全文はここにある: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
概念実証デバイスも作っている。「作製したトップゲート SEG FET を特性評価し、SEG の電気的特性を測定した」とある
以前の議論: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 および https://news.ycombinator.com/item?id=38878780
鍵は、これをシリコンと同じくらい効果的に加工し、微細化できるかどうか。それでも誰かが指摘していたように、すでにこれをベースにしたトランジスタは作られており、シリコンで使うプロセスをそのまま利用できるという主張もあるので、うまくいってほしい
微細化技術、ファブ装置、その分野のエンジニアや科学者の専門性、導体/半導体/絶縁体層と界面など、はるかに多くの要素がある。既存のシリコン・エコシステムの外での進展を聞くのは良いことだが、「より良い材料」だからという理由だけでシリコンを押しのけるのは非常に難しい。新しい技術スタックへ移行するには、おそらく現行技術に対して革命的な利点、たとえば100倍の改善くらいが必要になると思う
これはGaAsベースのチップでも問題だった。GaAsのWikipediaには「Siの2つ目の大きな利点は、絶縁体として使われる天然酸化膜、すなわち二酸化ケイ素（SiO2）の存在」とある
「この加熱ステップは、2枚のSiCチップを重ねてグラファイトるつぼに入れ、それをアルゴン石英管の中に入れて行う。その後、石英管の周囲の銅コイルに高周波電流を流し、誘導によってグラファイトるつぼを加熱する」という説明なら、結局チューブ炉を使うという意味ではないのか？
「われわれが使うチップは約10ドル、るつぼは約1ドル、石英管は約10ドル」とde Heerは述べたそうだが、チューブ炉は自作して周囲にすでにある数千ドルの装置を費用から除外しない限り、10ドルではない
問題はいつもスケーリングと装置にある。既存インフラを活用しないなら、成功の可能性は低い
参考までに、炭素は地球質量の約0.18%を占めるが、シリコンは27.7%だ。月には事実上炭素がなく、表土の20%はシリコンである
超高速チップが必要で、シリコンベースのチップでは満たせないニッチはあるのだろうか？ 小規模な企業が少量だけ作っても成立する市場があるのか、それとも大規模生産でなければ成り立たないのかも気になる