آیا گرافِن می‌تواند قانون مور را نجات دهد؟

یکی از بزرگترین چالش‌های حال حاضر صنعت نیمه‌هادی نه اندازه ترانزیستورها، بلکه کوچک‌تر کردن سیم‌کشی های مسی روی تراشه است. حال یک استارتاپ آمریکایی به نام Destination 2D ادعا می‌کند که راه حل این مشکل را در استفاده از گرافن برای اتصال ترانزیستورها یافته است.

صنعت نیمه‌هادی‌ها با چالش جدیدی روبه‌رو شده است؛ قانونی که مدت‌ها به عنوان یک اصل پذیرفته شده بود، یعنی قانون مور، که بیان می‌کند تراکم ترانزیستورها روی تراشه باید تقریباً هر دو سال دو برابر شود، اکنون با محدودیت‌های فیزیکی مواجه است. به‌ویژه زمانی که اتصالات مسی کوچک‌تر می‌شوند، مقاومت آن‌ها به شدت افزایش می‌یابد که این موضوع باعث کاهش ظرفیت انتقال اطلاعات و افزایش مصرف انرژی می‌شود.

گرافن: راهکاری برای حفظ قانون مور

صنعت نیمه‌هادی‌ها با یافتن جایگزینی برای مواد متداول مورد استفاده در اتصالات روی تراشه تلاش می‌کند تا عمر قانون مور را افزایش دهد. یکی از گزینه‌های جذاب، گرافن است؛ ماده‌ای که به دلیل ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی عالی و استحکام بیشتر از الماس مورد توجه قرار گرفته است.

با این حال، پژوهشگران برای استفاده از گرافن در کاربردهای متداول رایانه‌ای با دو مشکل اساسی روبه‌رو بوده‌اند: دمای بالای مورد نیاز برای رسوب‌گذاری گرافن که با فرآیندهای سنتی ساخت ترانزیستورهای CMOS ناسازگار است.

بر اساس گزارش IEEE Spectrum، اکنون شرکت Destination 2D مستقر در کالیفرنیا، ادعا می‌کند که هر دو مشکل را حل کرده است. این استارتاپ موفق به توسعه روشی برای رسوب‌گذاری گرافن روی تراشه‌ها در دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد شده است؛ دمایی که با روش متداول ساخت CMOS سازگار است. به گفته دکتر «کاوستاو بانرجی»، یکی از بنیان‌گذاران و مدیر ارشد فناوری شرکت، آن‌ها همچنین روشی برای دوپ کردن (افزودن ناخالصی) گرافن توسعه داده‌اند که می‌تواند چگالی جریان را تا ۱۰۰ برابر مس افزایش دهد.

پیشرفت در رسوب‌گذاری گرافن

گرافن برای اولین بار در سال ۲۰۰۴ کشف شد، زمانی که پژوهشگران توانستند با استفاده از نوار چسب ورقه‌های گرافن را از گرافیت جدا کنند. کشفی که در سال ۲۰۱۰ برنده جایزه نوبل شد. اکنون یکی از برندگان جایزه نوبل، پروفسور کنستانتین نووسلف، به عنوان دانشمند ارشد در شرکت Destination 2D فعالیت می‌کند.

اما روش جداسازی گرافن با نوار چسب، امکان مقیاس‌‌پذیری برای تولید صنعتی را ندارد. محققان از روش رسوب‌گذاری شیمیایی بخار (CVD) استفاده می‌کنند که شامل رسوب‌گذاری گاز کربن روی یک بستر گرم است، اما این روش نیاز به دماهای بالای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد دارد که برای فرآیندهای ساخت ترانزستورهای CMOS مناسب نیست.

دستگاه ساخت Destination 2D می‌تواند رسوب‌گذاری گرافن را در مقیاس ویفرهای سیلیکونی انجام دهد.

روش شرکت Destination 2D که توسط بانرجی در دانشگاه کالیفرنیا، توسعه داده شده است، از تکنیکی به نام انتشار فاز جامد تحت فشار استفاده می‌کند. در این روش، یک لایه فلزی (مانند نیکل) روی تراشه قرار گرفته و کربن روی آن رسوب‌گذاری می‌شود. سپس با اعمال فشاری معادل ۴۱۰ تا ۵۵۰ کیلوپاسکال، کربن از فلز عبور کرده و به گرافن چندلایه تمیز تبدیل می‌شود. در نهایت فلز لایه فلزی حذف شده و گرافن برای الگوگذاری روی تراشه باقی می‌ماند.

افزایش چگالی جریان در گرافن

پس از الگوگذاری، لایه‌های گرافن با تکنیکی به نام بین‌لایه‌گذاری (Intercalation) دوپ می‌شوند. در این روش، اتم‌های دوپ‌کننده بین لایه‌های گرافن وارد می‌شوند و چگالی جریان را افزایش می‌دهند. این اتم‌ها می‌توانند شامل موادی مانند کلرید آهن، برم یا لیتیوم باشند.

یکی از ویژگی‌های امیدوارکننده این تکنیک این است که بر خلاف مس، هر چه خطوط گرافن کوچک‌تر شوند، ظرفیت جریان آن‌ها بیشتر می‌شود. این خاصیت می‌تواند پشتیبانی از چندین نسل آینده فناوری نیمه‌هادی را ممکن کند.

در همین رابطه بخوانید:

- اولین گام در مسیر ساخت پردازنده‌های تراهرتزی با نیمه‌رسانای گرافن برداشته شد! [تماشا کنید]
- کاشت اولین تراشه گرافِنی در مغز انسان توسط استارتاپ اسپانیایی

شرکت Destination 2D تاکنون تکنیک خود را در سطح تراشه به نمایش گذاشته و ابزارهایی برای رسوب‌گذاری در مقیاس ویفر توسعه داده است. این شرکت امیدوار است با همکاری کارخانه‌های تولید تراشه، این فناوری را از مرحله تحقیق و توسعه به تولید صنعتی منتقل کند.