No final de março de 2024, a fabricante americana de eletrônica de potência Wolfspeed anunciou o início da fase final de construção de um centro especializado para a produção de blanks semicondutores à base de carboneto de silício – John Palmour Silicon Carbide Manufacturing Center: a construção de oficinas tem geralmente concluída, iniciou-se a instalação de equipamentos para a produção de “lingotes” de SiC de 200 mm de diâmetro. Este empreendimento, que deverá produzir seus primeiros produtos em dezembro deste ano ou janeiro do próximo, é um dos maiores dos Estados Unidos: a área ocupada é de mais de 180 hectares, o volume de investimentos até o momento é superior a US$ 5 bilhões, os custos totais estimados antes do início da produção em série na fábrica – US$ 6,5 bilhões. A Wolfspeed fornece mais de 60% dos wafers virgens para a produção de microcircuitos à base de carboneto de silício. Por que eles são tão atraentes?
Cristais de carboneto de silício com 150 mm de diâmetro (fonte: GTAT)
⇡#Lado do poder
Apesar de toda a sua versatilidade, o silício puro como base para qualquer microeletrônica ainda não é ideal: em certas áreas de aplicação ele é superado em eficiência mesmo por compostos que são obviamente mais caros de produzir: como, por exemplo, o nitreto de gálio mencionado em nosso material anterior – no caso de dispositivos semicondutores de alta frequência. Além do GaN, os desenvolvedores de chips de controle para energia e outras necessidades industriais prestaram muita atenção ao carboneto de silício (SiC), um material que tem sido usado na eletrônica desde o início do século XX. É interessante que, como composto químico pronto, o carboneto de silício – apesar de ser composto de átomos extremamente comuns – praticamente não é encontrado na Terra (exceto em depósitos de corindo e tubos de kimberlito), mas está incluído na composição de muitos meteoritos.
O SiC, assim como o GaN, é um semicondutor com um amplo bandgap – aproximadamente três vezes maior que o do silício (3,25 eV versus 1,12 nas mesmas unidades). Ao mesmo tempo, possui maior dureza (9,2 versus 6,5 na escala de Mohs) e ponto de fusão (aproximadamente 2.500 °C versus 1.500 para Si). É claro que a eletrônica não aquece até o ponto de transição de fase durante a operação, no entanto, o carboneto de silício continua a reter as propriedades de um semicondutor quando aquecido a pelo menos 400 °C e, em alguns casos, até 600 °C. C. Em combinação com a alta condutividade térmica (o que por si só é uma grande vantagem, pois permite remover o excesso de calor dos chips de SiC com radiadores de menor área efetiva), isso significa que os dispositivos baseados em carboneto de silício estão prontos para funcionar em condições onde o convencional semicondutores de silício são obviamente inaplicáveis.
Limites aproximados de aplicabilidade do VLSI baseado em SiC e GaN em coordenadas de frequência de operação (eixo horizontal, Hz) e potência de saída (W; ambas as escalas são logarítmicas), bem como símbolos de diversas aplicações industriais dos dispositivos semicondutores correspondentes (fonte: Infineon)
Outra propriedade importante do SiC, devido ao seu grande gap, é a baixa concentração de cargas livres na espessura do material em condições normais de operação: isso reduz significativamente a probabilidade de quebra da amostra no modo dielétrico. A tensão de ruptura para o carboneto de silício é de aproximadamente 2.400 kV/cm, para o silício puro é de cerca de 300 kV/cm; Assim, a eletrônica de potência do SiC pode suportar tensões aproximadamente oito vezes mais altas sem perda das propriedades do semicondutor. Pelo contrário, se você confiar nas tensões familiares aos microcircuitos de Si, um dispositivo semicondutor baseado em SiC pode ser muito mais compacto – já que mesmo com um comprimento de porta significativamente menor (que determina o valor da resistência elétrica), a quebra ainda não ocorrerá ocorrer.
O mesmo vale para a frequência máxima de comutação da porta de um transistor SiC entre os estados “fechado” e “aberto”: é significativamente maior do que para um transistor de silício, com dimensões e peso menores do dispositivo, o que torna o carboneto de silício quase um material ideal para dispositivos compactos e leves de controle de motores elétricos e baterias para diversas finalidades. As estações de carregamento de veículos elétricos que dependem da eletrônica SiC podem reduzir o tempo de carregamento de uma bateria padrão em pelo menos metade – o que é extremamente importante do ponto de vista do conforto do uso regular deste veículo moderno. Para data centers que dependem de sistemas de resfriamento poderosos, o carboneto de silício também é uma descoberta extremamente bem-sucedida: de acordo com um dos principais fabricantes (junto com Infineon, OnSemi e outros) de chips SiC, Wolfspeed, a conversão de servidores típicos de data center em energia fornecimentos com microeletrônica à base de carboneto de silício levam a uma redução imediata de 40% nos custos de energia para remoção de calor, sem quaisquer otimizações adicionais.
Uma característica importante do SiC é a ampla gama de elementos que, quando adicionados como aditivos, alteram suas propriedades elétricas. Pequenas adições de alumínio, boro ou gálio tornam possível criar regiões de condutividade do tipo p baseadas em carboneto de silício, enquanto adições de nitrogênio ou fósforo fornecem condutividade do tipo n. Isto torna relativamente fácil a fabricação de transistores CMOS, os elementos centrais da microeletrônica moderna para uma ampla gama de aplicações. É também interessante que a condutividade do SiC possa ser controlada não apenas pela aplicação de uma tensão de controle, mas também por radiação de certa intensidade, e em uma ampla faixa de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta.
Prontos para serem enviados aos clientes, os “lingotes” de silício monocristalino com 300 mm de diâmetro lembram toras esperando sua vez de serem cortadas em uma serraria – mas, ao contrário desta última, não precisam de muitos anos para crescer (fonte: Western Minmetals)
Quase todo o carboneto de silício usado hoje no planeta é de origem sintética: já é cultivado com segurança em “lingotes” com diâmetros de 100 e 150 mm, e em breve a tecnologia de 200 mm será dominada em escala industrial. Na verdade, isso já demonstra o quanto é mais difícil produzir cristais de SiC do que estruturas de silício puro: para estas últimas, longos “lingotes” com diâmetro de 300 mm têm sido o padrão há muitos anos, e até mesmo a discussão sobre a transição para um O diâmetro de 450 mm já existe há mais de uma década.
Acrescentemos entre parênteses (já que o tema do artigo são, afinal, outros semicondutores além do silício) que o principal obstáculo no caminho para os wafers de Si de 450 mm não é de forma alguma químico, físico ou técnico, mas puramente econômico. Com um número impressionante de máquinas fotolitográficas operando ativamente no mundo e para processos relacionados ao processamento de chapas brutas de 300 mm, e mesmo levando em conta o custo proibitivo desses equipamentos, investimentos no desenvolvimento “da mesma coisa, mas com mãe-de -botões perolados para placas de 450 mm de diâmetro” parecem ser, para dizer o mínimo, imprudentes para fabricantes de chips em todo o mundo. Se ao mesmo tempo a transição para wafers de 150 mm foi amplamente investida pela Intel, e em 200 mm – pela IBM, então o encargo financeiro de transformar “lingotes” de silício de 300 mm em um novo padrão foi essencialmente atribuído aos fabricantes de equipamentos de fabricação de chips – e acabou sendo tão alto que demorou muito para conseguir o retorno. Dado o estado atual – não o mais próspero, infelizmente – do mercado global de TI, é assustador imaginar quanto custará desenvolver e criar, digamos, uma fotolitografia EUV de alto NA para wafers de 450 mm – e quanto tempo levará levará para entregar essas máquinas lucrativas para ASML.
Assim, de alta qualidade – no sentido de ausência de impurezas estranhas em mais de 99,9% em peso – os “lingotes” de SiC no início dos anos 2000 aprenderam a fabricar com relativa facilidade, primeiro 100 mm de diâmetro, depois 150 mm (embora no estágios iniciais não são muito longos, mas é um ganho). Mas então começaram as dificuldades na obtenção de uma estrutura cristalina uniforme em toda a espessura: a refratariedade e a alta dureza do carboneto de silício requerem forte aquecimento para obter um cristal, o que significa que o crescimento de um “lingote” consome muito mais energia e tempo. Pior ainda, a estrutura cristalina especial da variedade semicondutora de SiC é altamente transparente e ao mesmo tempo altamente reflexiva, tornando extremamente difícil inspecionar a peça em busca de defeitos físicos.
Monocristal de carboneto de silício cultivado em laboratório: para necessidades industriais, buscam-se obter uma parte cilíndrica mais estendida, já que da parte hemisférica sairão placas de menor diâmetro (fonte: Wikimedia Commons)
No entanto, a transição dos fabricantes de semicondutores à base de carboneto de silício para wafers de 200 mm já está começando, o que significa que esses próprios dispositivos se tornarão mais difundidos e acessíveis. De acordo com TrendForce, em 2023-2026. O mercado global de dispositivos semicondutores de potência baseados em carboneto de silício crescerá a um ritmo impressionante para as actuais realidades económicas – em mais de 40% todos os anos, de 2,28 mil milhões de dólares no início deste período para 5,33 mil milhões de dólares no final. A propósito, lembremos que a fábrica John Palmour Silicon Carbide Manufacturing Center mencionada no início deste material custará ao seu organizador, o americano Wolfspeed, US$ 6,5 bilhões. esse mercado é apenas um dos que nele atuam, a empresa investiu em sua próxima fábrica de SiC quase três vezes mais que todo o faturamento de microcircuitos desse tipo em 2023. Mas além da Wolfspeed, a japonesa Mitsubishi Electric pretende produzir Wafers de carboneto de silício de 200 mm de 2026; A Mersen europeia está a planear aumentar significativamente a sua capacidade num futuro próximo e, na China, a SICC já está a investir no projecto local de materiais semicondutores de carboneto de silício. Todo mundo precisa de eletrônicos de potência baseados em SiC!
⇡#Os melhores amigos dos engenheiros microeletrônicos
O carbono é um dos elementos químicos mais notáveis do Universo em termos de propriedades; basta dizer que o único tipo de vida conhecido pela humanidade até agora (ou seja, a proteína) foi formado precisamente com base no carbono. Na natureza, o carbono é encontrado em diversos compostos e formas, mas provavelmente o mais atraente entre eles, tanto visualmente quanto em termos de características químicas e físicas, é sua modificação cúbica polimórfica, formada exclusivamente em altas pressões – o diamante. Como já observamos no primeiro artigo sobre materiais semicondutores diferentes do silício puro, o diamante é caracterizado não apenas por um intervalo de banda amplo, mas extremamente grande (5,47 eV versus 1,12 para Si); Ao mesmo tempo, tem a maior dureza possível (10 na escala de Mohs), um ponto de fusão significativo (cerca de 3.500 ° C), bem como valores bastante próximos – e também enormes – de condutividades de elétrons e buracos (até a 4500 e 3800 cm²/(V c) respectivamente a uma temperatura de 300 K). A combinação dessas propriedades torna o diamante um semicondutor de potência ainda mais promissor do que o nitreto de gálio e o carboneto de silício, uma vez que a resistência à ruptura do carbono cristalino em uma rede cúbica é obviamente melhor aqui do que para seus outros análogos: a densidade máxima de corrente capaz de passar através de um o canal no diamante é 5 mil vezes maior que o silício, e a tensão máxima é 30 vezes maior.
Um dos maiores diamantes naturais do mundo, Lesedi la Rona (“Nossa Luz” em Tswana), encontrado em Botswana em 2015, pesa 1.109 quilates (cerca de 222 g) e foi avaliado em US$ 70 milhões no momento da descoberta. imagine, por onde começar a listar as razões pelas quais tais amostras naturais de modificação cúbica polimórfica de carbono não são adequadas para produção microeletrônica em massa (fonte: NPR)
A prontidão dos elétrons no orbital externo de um átomo de carbono para formar ligações covalentes é comparável à do silício – não é à toa que esses elementos pertencem ao mesmo grupo (coluna) da Tabela Periódica de Mendeleev. Dopado com átomos de boro, um semicondutor de diamante altera localmente suas propriedades condutoras e, assim, possibilita a formação de transistores MOS, inclusive durante a produção em massa – como resultado, pode-se esperar obter microcircuitos ultrafortes que sejam resistentes a efeitos físicos, térmicos e outros condições que são proibitivas para cargas eletrônicas modernas, incluindo radiação, que é especialmente importante para uma variedade de aplicações espaciais. Não só um chip de diamante pode aquecer cinco vezes mais do que um chip de silício sem perder suas propriedades, mas a eficiência de transferência de calor do primeiro é mais de 20 vezes maior do que a do último, o que simplifica incrivelmente o resfriamento de semicondutores de diamante.
É claro que não estamos de forma alguma falando de diamantes naturais: além de serem relativamente raros, as condições imprevisíveis de sua formação em cada caso específico levam à contaminação inevitável de amostras nativas de carbono cristalino em uma rede cúbica – sem princípios e às vezes até desejáveis para jóias, mas em termos de microeletrônica, completamente inaceitável. Na criação de semicondutores, são utilizados diamantes sintéticos, obtidos, por exemplo, do metano em reatores especiais por deposição química de vapor por plasma de micro-ondas. E tudo seria maravilhoso (exceto por algumas dificuldades com a seleção de aditivos eficazes para organizar zonas locais de condutividade n e p em substratos de diamante), se não fosse por uma coisa, mas muito séria, mas: crescentes “lingotes” de diamantes sintéticos com a pureza necessária e a regularidade geométrica das redes cristalinas são extremamente difíceis.
Diamantes sintéticos cultivados em laboratório pelo método CVD: espessura da placa até 2 mm, dimensões aproximadamente 20 × 20 mm (fonte: Sanyi Lab)
A partir do final de 2023, quando a produção de blanks (posteriormente cortados em wafers) com diâmetro de 450 mm para o silício e 200 mm para o SiC já não representava um grave problema técnico, “lingotes” de diamante poderiam ser obtidos um pouco mais de 1 polegada de diâmetro. Um dos processos bem estabelecidos, utilizando altas temperaturas e altas pressões, produz cristais de carbono de excelente qualidade em uma rede cúbica, mas com área de seção transversal máxima de apenas cerca de 1 cm². Além disso, os elevados custos de energia e os requisitos especiais para o reactor tornam a produção em larga escala de diamantes sintéticos utilizando métodos tradicionais proibitivamente dispendiosa. Outro processo, a deposição química de vapor (CVD), permite aumentar a área da seção transversal da peça para 5 ou mesmo 10 cm², mas, infelizmente, ao custo de um aumento notável na imperfeição da estrutura cristalina . Se para o SiC a densidade de defeito característica do cristal “lingote” formado é de cerca de cem por 1 cm² (e isso é muito alto comparado ao Si puro), então para o diamante obtido por deposição de vapor é superior a 100 mil por 1 cm² . Assim, os “lingotes” que ainda não foram cortados já contêm um número significativo de áreas que são obviamente inadequadas para processamento posterior – o que reduz significativamente o rendimento de microcircuitos utilizáveis do wafer resultante.
«Certas dificuldades” com os aditivos, que já foram mencionadas acima, também representam, de fato, um problema de engenharia justo. O tratamento do substrato com feixes de íons, comum na indústria de semicondutores para introduzir os núcleos dos átomos desejados na estrutura cristalina, não é muito adequado no caso do diamante: a alta resistência deste material, devido à extrema resistência ligações na rede cúbica, evita qualquer penetração profunda dos íons desejados. A propósito, aqui está outra razão pela qual a tecnologia CVD para a produção de “lingotes” de diamante é ainda mais preferível: é muito mais fácil introduzir os elementos necessários em seções individuais da peça logo na fase de formação de uma camada de diamante em isto. Porém, esta não é uma solução completa: a espessura da área com o aditivo em cada camada acaba sendo comparável à espessura do material de base, o que leva à formação de canais no semicondutor que requerem mais energia para sua ativação. do que estruturas semelhantes baseadas em Si ou mesmo SiC. Como resultado, os dispositivos semicondutores de diamante obtidos desta forma em temperaturas normais (273 K) revelam-se mais consumidores de energia e menos eficientes do que aqueles baseados em carboneto de silício. Sim, em algum lugar a partir de 450 K, os microcircuitos de diamante continuam sendo essencialmente os únicos que estão operacionais, uma vez que todos os outros já falharam neste ponto – mas do ponto de vista das perspectivas de substituição generalizada do Si pelo carbono cristalino por um rede cúbica, isso é pouco consolo.
Um problema separado que precisará ser resolvido no nível da produção em massa durante tal substituição (por enquanto hipotética) é o corte real do “lingote” de diamante resultante em placas, se você ainda definir a meta de dominar um método de cultivo peça de trabalho que não seja CVD. É claro que os lasers são mais adequados para esse propósito, e pesquisadores japoneses da Universidade de Chiba propuseram recentemente um método bastante original para cortar cilindros de diamante sintético com rapidez e precisão usando um laser. A peculiaridade do método é que, ao contrário das expectativas intuitivas, ele não implica a passagem de um feixe de energia superpoderoso através do eixo principal através da espessura do “lingote”: isso consome muita energia e ainda não formar uma fatia imediatamente adequada para processamento posterior.
Um diagrama de um artigo de pesquisadores japoneses que explica o princípio da “perfuração da camada interna” de um diamante em branco com laser (fonte: Universidade de Chiba)
O fato é que as zonas de condutividade p e n devem ser formadas em um substrato de diamante em uma superfície que é uma fatia da estrutura cristalina estritamente ao longo de um plano que passa por muitos átomos – e é incrivelmente difícil atingir um “lingote” macroscópico com um feixe de laser em conformidade. Os japoneses abordaram o problema de forma criativa: eles agem com um feixe focado quase até um ponto em literalmente uma camada de átomos na espessura da peça (felizmente, é transparente à radiação óptica). Como resultado, a estrutura cristalina da camada “perfurada” transforma-se em silício amorfo com densidade inferior à do diamante, após o que resta quebrar o “lingote” ao longo do plano resultante e polir as irregularidades residuais.
Outro grupo de pesquisadores da Terra do Sol Nascente, desta vez do Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS), propôs um transistor de efeito de campo de diamante condutor de furos – com um único cristal de nitreto de boro com uma rede hexagonal como porta -camada isolante. O eletrodo do transistor apresentado como protótipo, conectado à porta, é feito de grafite, e uma placa de diamante é usada como substrato – verifica-se que um dispositivo semicondutor semelhante pode ser criado tanto em uma peça fabricada pelo método CVD , e em uma seção de um “lingote” cultivado em uma única peça. A inovação do grupo NIMS reside no facto de anteriormente utilizarem vários aditivos, em particular hidrogénio, para formar elementos de transístor individuais num substrato de diamante, reduzindo assim eficazmente a elevada condutividade natural do furo do diamante puro. A maior condutividade de um transistor sem aditivos de hidrogênio também significa uma redução nas perdas de energia quando uma carga passa por ele, o que é especialmente importante para dispositivos semicondutores de alta frequência e/ou alta tensão.
⇡#Bidimensionalidade atraente
Em 2018, os analistas da McKinsey chamaram a atenção para a desaceleração no crescimento da produtividade dos processadores de silício, que de 1970 até cerca de 2005 foi quase exponencial, e no início da década de 2010 atingiu essencialmente um patamar. Ao mesmo tempo, os custos de I&D em termos de melhoria adicional das tecnologias de silício (principalmente para a redução progressiva da escala característica da produção fotolitográfica) aumentaram a um ritmo mais rápido, tal como o volume de investimentos de capital na construção de fábricas sempre novas. Por exemplo, uma fábrica média condicional com produtividade de 30 mil wafers de 300 mm por mês, tanto para o processo técnico “45 nm” quanto para o processo técnico “22 nm”, custa aproximadamente a mesma quantia – cerca de 2,5 bilhões de dólares. a construção, equipamento e preparação para operação de uma planta com características semelhantes para a produção de chips “14 nm” exigiu gastos de mais de 3,5 bilhões de dólares, e “10 nm” – quase 5,5 bilhões E quanto mais próximas as dimensões do indivíduo. elementos semicondutores transistores para o tamanho característico de um único átomo, inevitavelmente mais caras serão as tentativas de atacar esse limite usando tecnologias fotolitográficas modificadas-remodificadas originárias de meados do século passado.
Uma demonstração clara de como o crescimento do desempenho em processadores de computadores (esquerda) e smartphones desacelerou ao longo dos anos; a escala vertical é logarítmica (fonte: McKinsey)
O mesmo estudo analítico identificou diretamente uma série de materiais que poderiam efetivamente substituir o bom e velho silício em chips semicondutores de uso geral – e não apenas principalmente em chips de energia como GaN, SiC ou diamante – em escalas subatômicas e atômicas. Estes são dissulfeto de molibdênio, siliceno (um dos compostos alotrópicos bidimensionais do silício), germaneno (também bidimensional, isto é, composto de átomos dispostos em uma camada – neste caso germânio – material), fósforo preto, mas acima de tudo – grafeno. Esta é uma camada de átomos de carbono formando uma rede hexagonal – exatamente como um favo de mel. Suas propriedades físico-químicas são radicalmente diferentes daquelas de outras modificações do carbono, incluindo o conhecido grafite e o diamante (e o mesmo siliceno): o grafeno é um semimetal, como o silício e o germânio; extremamente refratário e caracterizado por alta condutividade elétrica, garantida por significativa mobilidade tanto de elétrons quanto de lacunas em sua estrutura. Embora a camada de grafeno, se for aplicada uma força perpendicular à normal, seja extremamente flexível – o que, de fato, permite formar a partir dela nanotubos de carbono (que por si só são bastante promissores do ponto de vista do semicondutor indústria, mas falaremos mais sobre isso em outra ocasião). A elasticidade longitudinal do grafeno é comparável à do diamante, o que significa alta resistência mecânica de elementos em miniatura de dispositivos semicondutores feitos a partir deste material bidimensional.
No entanto, há um pequeno problema aqui: o grafeno carece completamente de band gap – a diferença entre a energia mínima de um elétron livre e a energia máxima de um elétron na rede cristalina é praticamente zero. Dispositivos semicondutores clássicos usam o próprio fato da presença de uma zona proibida para controlar a transferência de carga: se não houver tal zona, não está claro como mudar a porta do transistor da posição “fechada” para “aberta” e vice-versa. Um transistor baseado em grafeno sempre conduzirá corrente – e então qual é o sentido disso? E tanto que se ignorarmos esta chata desvantagem, o dispositivo revela-se extremamente atractivo – com excelente mobilidade de cargas (e furos), com excelente resistência a influências mecânicas, térmicas e outras, com excelentes perspectivas de miniaturização (estamos inicialmente falando sobre uma camada monoatômica!) e assim por diante. É claro que os engenheiros de microeletrônica estão fazendo esforços consideráveis para fazer com que os transistores baseados em grafeno reajam de alguma forma à tensão de controle, cortando as correntes que passam por eles sob comando – o que tornará possível tornar esses dispositivos semicondutores no sentido pleno do palavra.
Microcircuito à base de grafeno; quase feito à mão – laboratório, não produção em massa (fonte: Georgia Tech)
Entre as medidas propostas está a utilização de grafeno bicamada (cujas propriedades, como seria de esperar, são muito diferentes das propriedades da sua variedade de camada única), bem como heteroestruturas utilizando outros materiais bidimensionais – por exemplo, um par de camadas de grafeno separadas pela mesma espessura monoatômica de uma folha de nitreto de boro hexagonal, que por si só é um semicondutor com um bandgap bastante amplo. No entanto, isto é apenas o começo: para passar da pesquisa laboratorial de transistores individuais para a produção em massa de microeletrônica de grafeno, você terá que aprender como produzir folhas de grafeno (e camadas de outros materiais bidimensionais) com a qualidade exigida e em quantidade suficiente, pense na tecnologia para montar os transistores CMOS correspondentes e domine uma detecção de falhas em velocidade suficientemente alta de chips de grafeno acabados em nível atômico – e muito, muito mais. Uma revisão da McKinsey de 2018 previu que dentro de 10 a 25 anos após sua publicação, a introdução de elementos de grafeno em chips VLSI de silício clássico de uso geral (em particular para otimização de interconexão) estaria bem estabelecida e haveria uma transição em grande escala para a fabricação de semicondutores com materiais bidimensionais em vez dos tridimensionais usuais, não ocorrerá antes de meados da década de 2040.
As interconexões são mencionadas aqui por uma razão: a tecnologia fotolitográfica que é relevante hoje envolve isolar os barramentos de cobre que transportam corrente na superfície do cristal semicondutor do substrato de silício (ou outro semimetálico) com uma camada de nitreto de tântalo, que pode se estender por mais de 10 nm de espessura. Na ausência desta camada, os átomos de cobre se difundem no semicondutor, alterando significativamente suas propriedades. A transição para estruturas bidimensionais como um isolante em si – mesmo sem o uso de grafeno ou materiais semelhantes para criar componentes de transistores – irá densificar significativamente os microcircuitos e melhorar suas características: condutividade térmica, resistência a frequências e tensões operacionais aumentadas, etc.
Os primeiros wafers (também produzidos em laboratório) com semicondutores de grafeno ainda estão muito longe do silício serial de 300 mm (fonte: Georgia Tech)
Somente no início de 2024, pesquisadores da Universidade de Tianjin, na China, e do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos EUA, criaram o primeiro semicondutor funcional baseado em grafeno do mundo, publicando os resultados de seu trabalho na Nature. Usando o chamado recozimento de quase-equilíbrio, os engenheiros formaram uma camada de grafeno epitaxial (crescido em uma ligação química com a base) sobre um substrato de carboneto de silício. Descobriu-se que o material bidimensional formado exatamente dessa maneira adquiriu o intervalo de banda diferente de zero, tão necessário para um semicondutor clássico. Além disso, a mobilidade de carga na camada resultante revelou-se, embora inferior à do grafeno “livre”, mas ainda uma décima ordem de grandeza superior à do Si puro. E isto é verdadeiramente inspirador – se a tecnologia de recozimento de quase-equilíbrio puder ser ampliada para uma produção mais ou menos em massa, o futuro brilhante do grafeno poderá estar muito mais próximo do que os analistas da McKinsey imaginaram em 2018.
Como você pode ver, com todas as maravilhosas propriedades dos semicondutores diferentes do silício puro (poli)cristalino, todos eles – pelo menos no atual estágio de desenvolvimento tecnológico – são quase irremediavelmente inferiores a ele em termos de aplicações. Onde o VLSI precisa operar em frequências proibitivas para o Si e/ou passar correntes impressionantes por si mesmo, não há para onde ir – é necessário fabricar dispositivos caros e difíceis de fabricar baseados em GaN, SiC, diamante e outros, materiais muito mais exóticos. Mas ainda não há substituto direto para o bom e velho silício em microcircuitos de uso geral, e é improvável que apareça no futuro próximo. Pelo menos não até que os engenheiros microeletrônicos aprendam a lidar com o grafeno e outras estruturas bidimensionais com segurança. Esperemos que reste muito menos tempo até esse momento brilhante do que passou desde a invenção do primeiro transistor semicondutor (1947) até os dias atuais.