IBM realizza un nuovo chip analogico in grafene

Gli ingegneri IBM hanno costruito il più avanzato chip al mondo basato sul grafene, con prestazioni che sono 10 mila volte superiori a quelle mostrate da precedenti circuiti integrati in grafene. La chiave per la scoperta è una nuova tecnica di produzione che permette al grafene di essere depositato sul chip senza che questo venga danneggiato, una cosa precedentemente molto difficile da ottenere.

Ma l'aspetto ancor più importante della ricerca condotta da IBM è la possibilità di utilizzare il nuovo metodo in abbinamento con i processi CMOS standard. In altri termini si tratta di un passo che permette al settore di avvicinarsi enormemente alla produzione commerciale di chip in grafene.

Il team di IBM Research ha realizzato un ricevitore RF su un normale wafer in silicio da 200mm, utilizzando un processo di produzione CMOS standard. Si tratta di un chip analogico convenzionale, con resistori, transistor e condensatori, ma dove i canali dei transistor sono realizzati in grafene. Il chip si occupa semplicemente di ricevere segnali radio alla frequenza di 4,3GHz.

La vera rivoluzione sta proprio nella produzione: precedentemente tutti i tentativi di produrre chip con transistor con grafene sono stati basati su processi BEOL (Back End Of Line) dove i componenti attivi - gli stessi transistor - vengono costruiti dapprima sul wafer mentre i componenti passivi sono aggiunti in un secondo momento. Il problema in questo caso è che, a fronte della fragilità e della bassa adesione del grafene, questo processo tende a danneggiare i proprio i transistor. Per aggirare il problema IBM ha invertito l'approccio costruendo dapprima i componenti passivi e solo dopo depositando uno strato di grafene per completare la realizzazione dei transistor.

Il grafene viene realizzato in fornace. Un foglio di rame viene collocato in un forno alla temperatra di 1050°C in atmosfera composta di metano, così da far depositare un singolo strato di grafene sul foglio. Il rame è dissolto con un bagno chimico, lasciando quindi solamente il foglio di grafene. Il wafer di silicio, con tutti gli elementi passivi già realizzati e collocati, è utilizzato per raccogliere il grafene dal bagno. E' il modo più semplice, attualmente conosciuto, per la realizzazione di grafene in grandi quantità, anche se in questo modo si ottiene un grafene di qualità non particolarmente elevata cui si aggiunge lo scarto del rame, rendendo il processo relativamente costoso ed inefficiente.

Pur trattandosi di un passo avanti importante, è comunque opportuno osservare che per ora si è fermi alla realizzazione di un chip analogico. IBM non ha ancora trovato un modo per dare al grafene tutta la bandgap necessaria per la realizzazione di logica digitale e quindi di processori basati sul grafene. L'attenzione di IBM, per i processori di prossima generazione, pare essere sui nanotubi di carbonio che sono in grado di offrire il bandgap ideale.

Se un domani dovesse essere possibile realizzare, con un metodo conveniente ed efficiente, grandi quantità di grafene ad elevata qualità, il nuovo metodo di produzione di chip analogici potrebbe comunque essere utilizzato per applicazioni radio e ottiche, in virtù della capacità del grafene di operare a frequenze di 500GHz, ben oltre a quanto possibile con qualsiasi materiale attualmente usato nelle applicazioni RF.