Интегральные схемы на графене

Первую интегральную схему на графене удалось создатьв 2001 годуспециалистам IBM Research – исследовательского подразделения компании IBM. Микросхема представляла собой широкополосный смеситель частоты, который является одним из ключевых компонентов высокочастотных радиоустройств. С его помощью создаются радиосигналы, являющиеся суммой или разностью двух независимых входных сигналов. Обычно частоты сигналов на входе смесителя не слишком сильно отличается друг от друга и практический интерес представляет разностный сигнал на выходе смесителя.

Смеситель состоит из графенового транзистора и пары катушек индуктивности, компактно интегрированных на пластине карбида кремния SiC (рис. 3.36). Графен был получен на поверхности пластины SiC путем термодесорбции, т. е. испарения при нагревании атомов кремния, в результате чего на поверхности образуются слои графена.

Рис. 3.36.Увеличенное изображение интегральной схемы смесителя на графене

Изготовление интегральной схемы на основе графена сталкивается со сложностями, возникающими при попытке интеграции графеновых транзисторов и других компонентов в одной микросхеме. Основные препятствия – плохая адгезия к металлам и оксидам. Поэтому в новой схеме кроме алюминия были использованы такие материалы, как золото и палладий, с помощью которых обеспечивался хороший электрический контакт схемы с графеновыми листами.

Дополнительной трудностью являлось то, что листы графена можно было легко повредить во время травления элементов схемы. Для преодоления вышеописанных сложностей, ученые разработали совершенно новый технологический процесс. Графеновые листы, как уже отмечалось, были выращены прямо на подложке из карбида кремния. После этого графен был покрыт защитным полимерным покрытием, на котором с помощью электронного луча была произведена гравировка необходимой топологии. После травления полимерное покрытие было удалено с помощью специального травителя. Полученные таким образом транзисторы имели размер около 550 нм. Катушки индуктивности из алюминия имели микрометровую толщину.

Изготовленный смеситель выполнял операции на тактовой частоте в 10 ГГц, при этом его характеристики сохраняли стабильность при изменении температуры в диапазоне от комнатной до 125 ºС.

Улучшить конструкцию полученной интегральной схемы сразу не удалось, поскольку добавление новых пленочных элементов типа резисторов и катушек индуктивности приводило к разрушению графена. Поэтому пришлось изменить последовательности операций по изготовлению чипа. Обычно пассивные пленочные элементы схемы формируют выше слоя транзисторов, но в данном случае это вызывает разрушение графенового слоя. Поэтому сотрудники IBM Research решили пойти от обратного: сначала сформировать необходимые структуры на кремниевой пластине, а затем нанести на нее графеновые слои. Когда графеновые слои были изготовлены, к ним сформировали контакты, играющие роль стока и истока. Так удалось создать полноценное устройство, способное выполнять функцию радиоприемника (рис. 3.37).

Рис. 3.37. Увеличенное изображение чипа-радиоприемника

Чтобы проверить работу микросхемы, исследователи отправили радиосигнал, содержащий три буквы I, B и M – название родной корпорации. Приемник устойчиво работал на частоте 4,3 ГГц, которая соответствует диапазону ультракоротких волн. Устройство не только улавливало сигнал, но и усиливало и фильтровало его. Площадь приемника составляла всего 0,6 мм². Он был собран на обычной кремниевой подложке. Для изготовления приемника были применены те же технологии, что и для производства обычных микросхем, что может в дальнейшем существенно снизить стоимость его изготовления.