Peneliti Mengklaim Mengembangkan Chip Berbasis Grafena Fungsional Pertama

• Di tengah makin besarnya batasan silikon dalam hal kecepatan, panas, dan miniaturisasi, tim peneliti Georgia Tech mengklaim bahwa semikonduktor berbasis grafena yang berfungsi dapat menjadi alternatif bagi material komputer konvensional dan komputer kuantum masa depan
• Intinya adalah grafena epitaksial yang terikat pada silicon carbide(SiC), yang oleh tim peneliti disebut SEC atau epigraphene, dan mereka menyatakan material ini menunjukkan mobilitas elektron lebih tinggi daripada silikon konvensional
• Metode pembuatannya adalah memanaskan SiC hingga di atas 1.000°C untuk menguapkan silikon permukaan; biaya peralatan proses dan material disebut berada di kisaran sekitar 10 dolar untuk chip, sekitar 1 dolar untuk crucible, dan sekitar 10 dolar untuk quartz tube
• Perangkat elektronik grafena yang ada sulit mematikan transistor sepenuhnya karena tidak adanya bandgap, tetapi SEC dari tim peneliti menonjolkan kemungkinan pemutusan total yang dibutuhkan elektronika digital
• Tim peneliti menargetkan paradigma pasca-silikon berbasis SiC, bukan sekadar menyisipkannya ke lini silikon yang ada; tingkat kematangan nyatanya akan sangat bergantung pada upaya pengembangan yang dicurahkan ke depan

---

Klaim Georgia Tech tentang semikonduktor berbasis grafena

• Tim peneliti Georgia Tech mengklaim telah mengembangkan semikonduktor berbasis grafena fungsional pertama di dunia
• Riset ini terbit pada 3 Januari di Nature, dan dipimpin oleh Walt de Heer, profesor fisika di Georgia Tech
• Material utamanya adalah grafena epitaksial, struktur kristal karbon yang secara kimia terikat pada silicon carbide(SiC)
  • Tim peneliti menyebut material semikonduktor ini semiconducting epitaxial graphene, SEC, atau epigraphene
  • SEC disebut memiliki mobilitas elektron lebih tinggi daripada silikon konvensional, sehingga elektron dapat bergerak dengan resistansi yang jauh lebih rendah

Metode produksi dan biaya

• Metode pembuatannya adalah modifikasi dari teknik sederhana yang telah dikenal selama lebih dari 50 tahun
• Jika SiC dipanaskan hingga di atas 1.000°C, silikon di permukaannya menguap, dan permukaan yang kaya karbon terbentuk menjadi grafena
• Proses sebenarnya dilakukan dengan memasukkan tumpukan dua chip SiC ke dalam graphite crucible di dalam argon quartz tube
  • Arus frekuensi tinggi dialirkan ke copper coil di sekitar quartz tube
  • Graphite crucible dipanaskan melalui pemanasan induksi
  • Waktu proses sekitar 1 jam
• SEC yang dibuat dengan cara ini pada dasarnya berada dalam keadaan netral muatan, dan saat terekspos udara, material ini terdoping secara alami oleh oksigen
  • Doping oksigen dapat dengan mudah dihilangkan dengan memanaskannya pada sekitar 200°C dalam vakum
• Biaya yang disebut de Heer adalah sekitar 10 dolar untuk chip yang digunakan, sekitar 1 dolar untuk crucible, dan sekitar 10 dolar untuk quartz tube

Perbedaan dari pendekatan semikonduktor grafena sebelumnya

• Sejak 2008 telah diketahui bahwa grafena dapat dibuat berperilaku seperti semikonduktor jika dipanaskan dalam vakum bersama SiC
• Metode de Heer dinilai membuat perbedaan dalam pembentukan bandgap
  • Jika metode yang dimodifikasi digunakan dengan benar, ikatan terbentuk dengan sangat teratur
  • Dalam makalahnya, mereka menyatakan material ini menunjukkan mobilitas tinggi
• Perangkat elektronik grafena yang ada mengalami kesulitan menyalakan dan mematikan transistor karena tidak adanya bandgap
• Riset sebelumnya untuk menjadikan grafena sebagai semikonduktor telah berlangsung sekitar 10 tahun, termasuk pendekatan yang mencoba membuat bandgap dengan mengikatkan atom secara kimia ke grafena
  • de Heer menilai metode-metode sebelumnya menghasilkan grafena semikonduktor bermobilitas rendah karena masalah struktur kimia atau mekanis

Keterbatasan pendekatan graphene ribbon dan wrinkle

• graphene ribbon pernah dianggap sebagai pendekatan yang menjanjikan, tetapi hanya menunjukkan sifat semikonduktor jika memiliki lebar yang sangat spesifik dan armchair edge
  • Syarat tersebut berbanding terbalik dengan lebar ribbon
  • Ribbon cocok dibuat dengan metode kimia, dan pada akhirnya harus ditempatkan secara tepat di atas substrat serta saling dihubungkan dengan metallic wire
• de Heer mengatakan teknologi graphene nanoribbon pada prinsipnya sangat mirip dengan teknologi semiconducting carbon-nanotube
  • Ia menilai teknologi carbon-nanotube belum berhasil bahkan setelah 30 tahun riset nanotube
• Ada juga pendekatan membuka bandgap dengan membuat wrinkle pada grafena
  • Bandgap dapat dibuka melalui deformasi mekanis
  • Bandgap hingga 0,2 electron volts telah didemonstrasikan
  • Bandgap silikon jauh lebih besar, yaitu 1,12 eV
  • Karena bandgap yang kecil, kemungkinan aplikasinya belum jelas, dan kurangnya informasi mobilitas juga tetap menjadi masalah

Keunggulan teknis yang dikedepankan SEC

• Tim peneliti menyatakan telah membuat SEC semikonduktor berarea luas di atas SiC terrace yang bebas cacat dan rata secara atomik
• SiC dinilai sebagai material elektronik yang sangat berkembang, mudah didapat, dan sepenuhnya kompatibel dengan proses microelectronics yang ada
• SEC dapat memungkinkan transistor yang beroperasi pada frekuensi terahertz, 10 kali lebih cepat daripada transistor berbasis silikon konvensional
• Perbedaan utama dengan graphene field-effect transistor(GFET) komersial adalah apakah grafena semikonduktor digunakan atau tidak
  • GFET yang ada tidak menggunakan grafena semikonduktor, sehingga tidak cocok untuk elektronika digital yang membutuhkan transistor shutdown penuh
  • Tim peneliti menilai SEC mereka dapat melakukan pemutusan total sehingga memenuhi persyaratan ketat elektronika digital

Batasan silikon dan kemungkinan komputasi kuantum

• Semikonduktor adalah komponen inti semua perangkat elektronik, dan memiliki sifat konduktor sekaligus isolator
• Silikon, material semikonduktor arus utama saat ini, sedang mendekati batasnya dalam hal kecepatan, panas, dan miniaturisasi
• de Heer menilai kemajuan pesat dalam sejarah komputasi melambat karena kendala-kendala silikon ini
• Grafena adalah satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kisi heksagonal, dan dinilai sebagai konduktor yang lebih unggul daripada silikon sehingga membantu perpindahan elektron yang lebih efisien
• Tim peneliti menilai semikonduktor berbasis grafena dapat memainkan peran penting dalam komputasi kuantum
  • Jika grafena digunakan dalam perangkat pada suhu sangat rendah, elektron menunjukkan sifat gelombang mekanika kuantum yang mirip dengan yang terlihat pada cahaya
  • de Heer mengatakan graphene electronics dapat memanfaatkan sifat gelombang mekanika kuantum dari elektron dan hole yang tidak dapat dijangkau oleh silicon electronics
• Namun, apakah semikonduktor berbasis grafena dapat melampaui teknologi superconducting saat ini pada komputer kuantum tingkat lanjut masih membutuhkan riset lebih lanjut

Arah pengembangan dan tantangan yang tersisa

• Tim Georgia Tech tidak membayangkan memasukkan semikonduktor berbasis grafena ke lini silikon standar atau compound semiconductor
• Tujuannya adalah beralih ke paradigma pasca-silikon dengan memanfaatkan SiC
• Tim peneliti sedang mengembangkan metode untuk perlindungan dan peningkatan kompatibilitas dengan lini semikonduktor yang ada, seperti melapisi SEC dengan boron nitride
• de Heer menilai pengembangan teknologi ini akan membutuhkan waktu
  • Ia membandingkan pencapaian ini dengan penerbangan 100 m pertama Wright brothers
  • Capaian ke depan terutama akan bergantung pada seberapa banyak pekerjaan yang dicurahkan untuk pengembangannya

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Rasanya poin utamanya agak terkubur. Di bagian akhir ada kalimat: “GFET (transistor grafena) konvensional tidak menggunakan grafena semikonduktor, sehingga tidak cocok untuk rangkaian elektronik digital yang harus mematikan transistor sepenuhnya. [...] Material SEC yang dikembangkan tim riset ini memungkinkan pemutusan total, sehingga memenuhi tuntutan ketat rangkaian elektronik digital”
  Seingat saya, dulu masalah transistor grafena memang ini. Ada respons nonlinier, tetapi tidak bisa memutus aliran arus, jadi tidak berguna untuk logika digital dan hanya berguna untuk rangkaian analog. Namun sudah cukup lama sejak saya membacanya, jadi mungkin saja sudah ada yang menyelesaikannya

  • Sepertinya yang dimaksud adalah masalah bandgap
    Penjelasan yang bagus tentang masalah ini ada di sini: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
    Ringkasan bagian terkaitnya: GFET adalah transistor yang cepat dan efisien, tetapi tidak memiliki bandgap. Tanpa bandgap, pita valensi dan pita konduksi bertemu pada 0 volt sehingga grafena berperilaku seperti logam. Pada semikonduktor seperti silikon, celah di antara kedua pita itu membuatnya berperilaku seperti isolator dalam kondisi normal
    Biasanya elektron memerlukan energi tambahan untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, dan pada FET, saat tidak ada tegangan bias, tegangan bias memungkinkan aliran arus melalui pita yang berperilaku seperti isolator. Namun GFET tidak memiliki bandgap sehingga sulit mematikan transistor, dan karena tidak bisa dimatikan sepenuhnya, rasio arus on/off hanya sekitar 5, yang rendah untuk operasi logika. Karena itu sulit digunakan pada rangkaian digital, tetapi masalahnya lebih kecil pada rangkaian analog, sehingga cocok untuk amplifier, rangkaian mixed-signal, dan sejenisnya
    Beberapa kelompok riset sedang meneliti cara mengatasi masalah bandgap ini, seperti pendekatan resistansi negatif atau teknik fabrikasi sintesis bottom-up
  • Kalau transistornya setengah analog, rasanya cukup bagus untuk komputasi AI. Maksudnya operasi seperti perkalian matriks, sigmoid, tanh
  • Itulah bagian terkait bandgap yang dibahas di artikel. Ada, tetapi sangat tidak stabil

• Ada kalimat “Hasilnya adalah transistor yang menawarkan kecepatan 10 kali lebih tinggi daripada transistor berbasis silikon yang digunakan pada chip saat ini, dan dapat beroperasi pada frekuensi terahertz”; saya tidak mengerti kenapa 10 kali
  Kita berada di kisaran gigahertz satu digit, jadi kalau terahertz bukankah kira-kira harusnya 100 kali lebih cepat?

  • Frekuensi clock memang berada di gigahertz satu digit. Namun sinyal digital harus merambat melewati beberapa lapisan gerbang logika, sehingga transistor itu sendiri harus switching jauh lebih cepat
    Sepintas, artikel ini tidak jelas apakah kecepatan “terahertz” yang dimaksud adalah frekuensi switching atau bandwidth gain (fT). Saat ini pun transistor dengan fT ratusan gigahertz sudah sangat mungkin
  • Kecepatan clock komputer digital memang GHz satu digit, tetapi pada rangkaian analog, sekitar 100 GHz juga bisa dicapai dengan silikon. Contohnya chip radar otomotif atau sistem komunikasi
    Pembahasan THz di sini tampaknya terkait rangkaian analog, dan maksudnya teknologi baru ini kira-kira 10 kali lebih tinggi daripada itu. Kalau ingin tahu lebih lanjut, cari Fmax dan Ft pada transistor
  • Untuk keseluruhan chip memang gigahertz satu digit, tetapi itu bukan untuk transistor tunggal
  • Saya bukan insinyur listrik, tetapi kemungkinan transistor saat ini pun bisa beroperasi pada kecepatan clock yang jauh lebih tinggi daripada chip saat ini
    Masalahnya, ketika semuanya diintegrasikan dengan sangat rapat, panasnya menjadi terlalu tinggi sehingga Dennard scaling tidak pernah mencapai batas transistor individual
  • Frekuensi pada tingkat transistor tunggal berbeda dengan frekuensi pada tingkat chip. Setiap tahap clock berisi beberapa lapisan transistor

• Proses manufakturnya terlihat cukup ramah dibandingkan bencana ekologis lokal yang ditimbulkan silikon
  Namun sangat sulit bersaing dengan ekosistem silikon yang telah berkembang selama setengah abad. Apalagi belakangan talenta STEM banyak tertarik ke bidang software…

  • Itu sekadar pilihan yang masuk akal. Di perusahaan semikonduktor sulit mendapatkan uang yang bagus, dan bidangnya sempit, jadi kalau beruntung pun Anda akan terikat pada ulah satu atau dua perusahaan lokal. Kalau pemberi kerja bersikap buruk, Anda tidak bisa begitu saja keluar lalu memulai bisnis manufaktur chip sendiri
    Software lebih terdemokratisasi, dan peluang untuk meningkatkan kekayaan keluarga juga jauh lebih tinggi. Namun lembaga regulator yang korup berusaha sekuat tenaga menendang jauh-jauh tangga yang memungkinkan pekerja menempuh jalannya sendiri. Misalnya, perubahan aturan IR35 di Inggris sangat membatasi pengoperasian bisnis kecil berbasis layanan
  • Tunggu sampai skalanya diperbesar dan dikomersialkan, mimpi buruk itu akan kembali
    Kenyataan pahitnya, bahan kimia yang tidak menyenangkan dan tidak biasa membuat banyak proses manufaktur menjadi lebih murah dan memungkinkan batch dalam jumlah besar. Ketika semua batas didorong dan taruhannya besar, sulit menyingkirkan opsi seperti itu sepenuhnya

• Kalau saya membacanya dengan benar, ini lebih tepat disebut wafer grafena, bukan? Sepertinya belum ada rangkaian di atasnya, hanya lembaran grafena. Itu pun tetap hebat, tetapi rasanya sulit menyebutnya “chip yang berfungsi”

  • Benar. Sepertinya penulis tidak memahami perbedaan antara semikonduktor dan chip. Para peneliti mengatakan “semikonduktor yang berfungsi”
  • Kemungkinan besar ini adalah perangkat tunggal yang dipola dari lapisan grafena yang ditumbuhkan secara epitaksial. Mungkin memang transistor yang berfungsi atau sekumpulan transistor, tetapi perangkat tunggal seperti itu mungkin tidak terlalu berguna
    Biasanya perangkat seperti ini diberi pola pad logam besar agar bisa dipasangi probe, lalu karakteristiknya diukur dari sana
  • Saya sekilas membaca artikel dan papernya, dan paper yang ditautkan di artikel mengatakan bahwa para peneliti mengarakterisasi kinerja MOSFET
  • Setelah ilmu materialnya terselesaikan, perbedaan berikutnya hanyalah ranah rekayasa

• Paper riset lengkapnya ada di sini: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
  Mereka juga membuat perangkat proof-of-concept. Tertulis: “Kami mengarakterisasi SEG FET top-gate yang dibuat untuk mengukur sifat listrik SEG”

• Diskusi sebelumnya: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 dan https://news.ycombinator.com/item?id=38878780

• Kuncinya adalah apakah ini bisa diproses dan diminiaturisasi seefektif silikon. Meski begitu, seperti yang sudah ditunjukkan seseorang, transistor berbasis ini sudah dibuat, dan ada juga klaim bahwa proses yang dipakai untuk silikon bisa digunakan apa adanya, jadi semoga berjalan baik

  • Benar. Semikonduktor yang beralih jauh lebih cepat daripada yang berbasis silikon memang sudah ada, tetapi itu hanya sekitar 10% dari keseluruhan
    Ada jauh lebih banyak faktor, seperti teknologi miniaturisasi, peralatan fab, keahlian para insinyur dan ilmuwan di bidang tersebut, serta lapisan dan antarmuka konduktor/semikonduktor/isolator. Senang mendengar kemajuan di luar ekosistem silikon yang ada, tetapi sangat sulit menyingkirkan silikon hanya karena “material yang lebih baik”. Untuk beralih ke stack teknologi baru, mungkin diperlukan keunggulan revolusioner dibanding teknologi saat ini, misalnya peningkatan sekitar 100 kali lipat
  • Chip berbasis silikon mengandalkan lapisan oksida dan lapisan logam untuk menghubungkan transistor. Dari artikel saja tidak jelas bagaimana hal itu akan bekerja pada perangkat berbasis grafena
    Ini juga menjadi masalah pada chip berbasis GaAs. Wikipedia GaAs menyebutkan, “Keunggulan besar kedua Si adalah adanya oksida alami yang digunakan sebagai isolator, yaitu silikon dioksida (SiO2)”
  • Kalaupun tidak sampai sejauh itu, MOSFET yang bisa menangani arus sangat tinggi tanpa heatsink saja sudah luar biasa

• Kalau penjelasannya berbunyi, “Tahap pemanasan ini dilakukan dengan menumpuk dua chip SiC dan memasukkannya ke dalam krus grafit, lalu memasukkannya ke dalam tabung kuarsa berisi argon. Setelah itu, arus frekuensi tinggi dialirkan ke kumparan tembaga di sekitar tabung kuarsa untuk memanaskan krus grafit secara induksi,” bukankah itu pada akhirnya berarti memakai tube furnace?
  de Heer dikatakan berkata, “Chip yang kami gunakan sekitar 10 dolar, krus sekitar 1 dolar, dan tabung kuarsa sekitar 10 dolar,” tetapi tube furnace jelas bukan 10 dolar kecuali mereka membuatnya sendiri dan mengecualikan peralatan bernilai ribuan dolar yang sudah ada di sekitar dari perhitungan biaya

  • Itu merujuk pada harga bahan habis pakai yang digunakan dalam proses. Bahwa bangunan, listrik, staf, dan berbagai hal lain juga diperlukan bisa disimpulkan sendiri

• Masalahnya selalu ada pada scaling dan peralatan. Jika tidak memanfaatkan infrastruktur yang sudah ada, peluang berhasilnya rendah

  • Menurut saya ada juga masalah mendasar dalam menggunakan karbon untuk komputasi. Sebenarnya karbon tidak sebanyak itu, dan sebagian besar karbon yang kita miliki diperlukan untuk kimia organik yang membuat kita tetap hidup
    Sebagai referensi, karbon menyusun sekitar 0,18% massa Bumi, sedangkan silikon 27,7%. Bulan praktis tidak memiliki karbon, dan regolith-nya mengandung 20% silikon

• Apakah ada ceruk yang membutuhkan chip ultra-cepat tetapi tidak bisa dipenuhi oleh chip berbasis silikon? Saya juga penasaran apakah ada pasar yang tetap masuk akal meski perusahaan kecil hanya membuatnya dalam jumlah kecil, atau apakah itu hanya mungkin dalam produksi skala besar

  • Tentu ada. Misalnya, permintaan terhadap kecepatan pemrosesan pada network switch nyaris tidak ada habisnya