Primo semiconduttore in grafene: perché è vera svolta nel mondo dell'elettronica

Un team di studiosi del Georgia Institute of Technology affermano di aver creato il primo semiconduttore in grafene al mondo, perfettamente funzionante. Si tratta di un passo in avanti davvero significativo perché si staglia finalmente all’orizzonte una concreta alternativa al silicio, capace di superare i suoi limiti e liberare i produttori di chip che diverranno così in grado di riportare in vita la legge di Moore.

Grafene epitassiale: cos’è e perché il primo semiconduttore del Georgia Tech è vera innovazione

Uno dei problemi chiave affrontati dalle aziende che si occupano della produzione di semiconduttori consiste, com’è noto, nella miniaturizzazione estrema dei transistor. Questa porta al manifestarsi di effetti indesiderati come la migrazione indesiderata degli elettroni attraverso la barriera di isolamento frapposta tra il canale elettrico e il gate. Il fenomeno comporta una perdita di corrente, contribuendo al consumo di energia e al surriscaldamento del chip (ulteriormente esacerbato per via della densità dei transistor).

Oltre alle perdite di corrente, quando le dimensioni dei transistor raggiungono la scala atomica, gli effetti quantistici diventano rilevanti, introducendo variazioni imprevedibili nel comportamento del dispositivo.

Ci sono poi i problemi legati all’utilizzo di processi di produzione sempre più complessi e costosi, spingendo i limiti delle attuali tecnologie di fabbricazione. Si pensi, ad esempio, alle recenti evoluzioni della tecnologia di litografia ultravioletta estrema (EUV). L’aumento della complessità può portare a una maggiore probabilità di difetti che impattano negativamente sulla resa in fase di produzione.

L’utilizzo del grafene come semiconduttore offre una promettente alternativa al silicio poiché il materiale presenta proprietà davvero uniche. La svolta descritta dagli accademici della Georgia Tech è determinante: il grafene epitassiale ha dimostrato di superare il silicio in termini di mobilità degli elettroni, consentendo una maggiore efficienza e velocità di calcolo.

Le proprietà del grafene epitassiale e il suo futuro ruolo nell’elettronica

Il professor Walter de Heer, docente di fisica presso il Georgia Tech, ha guidato un team di ricercatori con sede ad Atlanta e Tianjin, in Cina. L’esperto ha lavorato sul grafene bidimensionale fin dai primi anni 2000 e oggi, a distanza di quasi 25 anni, si iniziano finalmente a raccogliere i primi frutti.

“Siamo stati motivati dalla speranza di introdurre tre proprietà speciali del grafene nell’elettronica“, ha dichiarato de Heer. “È un materiale estremamente robusto, in grado di gestire correnti molto elevate, senza surriscaldarsi e rompersi“.

Gli studi svolti fino ad oggi sul grafene, tuttavia, si sono storicamente scontrati con una proprietà mancante se confrontata con le caratteristiche chiave dei semiconduttori tradizionali. Si riteneva infatti che il grafene non disponesse del giusto gap energetico (band gap) e non potesse “accendersi” e “spegnersi” in modo corretto. Il team di ricerca guidato da de Heer e dal collega Lei Ma, ha lavorato 10 anni per perfezionare il grafene su wafer di carburo di silicio utilizzando speciali forni. Così è nato il grafene epitassiale legato al carburo di silicio.

Mobilità degli elettroni 10 volte superiore rispetto al silicio

I test mostrano che questo materiale ha una mobilità dieci volte superiore rispetto al silicio. In altre parole, gli elettroni si muovono con una resistenza molto bassa, il che, nell’elettronica, si traduce in calcoli più veloci.

Esaminando il lavoro della Georgia Tech emerge un dato evidente: il loro grafene epitassiale legato al carburo di silicio è di gran lunga superiore a tutti gli altri semiconduttori bidimensionali in fase di sviluppo. Tanto che il professor de Heer si è addirittura spinto a dipingere la pietra miliare appena posta come il primo volo compiuto dai fratelli Wright rispetto allo storia dell’aeronautica.

La produzione del grafene epitassiale è compatibile con i metodi di lavorazione convenzionali adoperati nel campo della microelettronica. Inoltre, potrebbe essere strumentale per futuri progressi nella computazione quantistica.

Le immagini pubblicate nell’articolo sono tratte dal post di Georgia Tech “Researchers Create First Functional Semiconductor Made From Graphene“.