(Phys.org) —Onderzoekers in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara heeft een ontwerpschema voor geïntegreerde schakelingen geïntroduceerd en gemodelleerd waarin transistors en interconnects naadloos monolithisch worden gemodelleerd op een vel grafeen, een 2-dimensionaal vlak van koolstofatomen. De demonstratie biedt mogelijkheden voor ultra energiezuinige, flexibel, en transparante elektronica.

Bulkmaterialen die gewoonlijk worden gebruikt om CMOS-transistoren en -verbindingen te maken, vormen fundamentele uitdagingen bij het voortdurend verkleinen van hun functiegroottes en lijden aan toenemende "contactweerstand" daartussen, die beide leiden tot verslechterende prestaties en een stijgend energieverbruik. Op grafeen gebaseerde transistors en interconnects zijn een veelbelovende technologie op nanoschaal die mogelijk problemen van traditionele op silicium gebaseerde transistors en metalen interconnects zou kunnen aanpakken.

"Naast zijn atomair dunne en ongerepte oppervlakken, grafeen heeft een afstembare band gap, die kan worden aangepast door lithografische schetsen van patronen - smalle grafeenlinten kunnen halfgeleidend worden gemaakt, terwijl bredere linten van metaal zijn. Vandaar, aaneengesloten grafeenlinten kunnen worden voorzien van hetzelfde uitgangsmateriaal om zowel actieve als passieve apparaten op een naadloze manier te ontwerpen en lagere interface-/contactweerstanden, " legde Kaustav Banerjee uit, hoogleraar elektrische en computertechniek en directeur van het Nanoelectronics Research Lab aan de UCSB. Het onderzoeksteam van Banerjee omvat ook UCSB-onderzoekers Jiahao Kang, Deblina Sarkar en Yasin Khatami. Hun werk is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

"Nauwkeurige evaluatie van elektrisch transport door de verschillende op grafeen nanoribbon gebaseerde apparaten en interconnects en over hun interfaces was de sleutel tot ons succesvolle circuitontwerp en -optimalisatie, " legde Jiahao Kang uit, een promovendus in de groep van Banerjee en een co-auteur van de studie. De groep van Banerjee was een pionier in een methodologie met behulp van de Non-Equilibrium Green's Function (NEGF)-techniek om de prestaties van dergelijke complexe circuitschema's met veel heterojuncties te evalueren. Deze methodologie werd gebruikt bij het ontwerpen van een "volledig grafeen" logisch circuit dat in deze studie wordt gerapporteerd.

"Dit werk heeft een oplossing aangetoond voor het ernstige contactweerstandsprobleem dat wordt aangetroffen in conventionele halfgeleidertechnologie door een innovatief idee te bieden voor het gebruik van een volledig grafeen-apparaat-interconnect-schema. Dit zal het IC-fabricageproces van op grafeen gebaseerde nano-elektronische apparaten aanzienlijk vereenvoudigen." merkte Philip Kim op, hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University, en een gerenommeerde wetenschapper in de grafeenwereld.

Zoals gerapporteerd in hun onderzoek, de voorgestelde volledig grafeencircuits hebben 1,7x hogere ruismarges en 1-2 decennia lager statisch stroomverbruik bereikt ten opzichte van de huidige CMOS-technologie. Volgens Banerjee, met de voortdurende wereldwijde inspanningen om grafeen te modelleren en te dopen, dergelijke circuits kunnen in de nabije toekomst worden gerealiseerd.

"We hopen dat dit werk andere onderzoekers zal aanmoedigen en inspireren om in de nabije toekomst grafeen en voorbij-grafeen opkomende 2-dimensionale kristallen te onderzoeken voor het ontwerpen van dergelijke 'band-gap-engineered' circuits, ’ voegde Banerjee eraan toe.