Ученые из Форшунгсцентра Юлих изготовили новый тип транзистора из сплава германия и олова, который имеет ряд преимуществ перед обычными переключающими элементами. Носители заряда могут двигаться в материале быстрее, чем в кремнии или германии, что позволяет использовать более низкие напряжения в работе. Таким образом, транзистор представляется перспективным кандидатом для будущих маломощных и высокопроизводительных чипов, а также, возможно, для разработки будущих квантовых компьютеров.
За последние 70 лет количество транзисторов на чипе удваивалось примерно каждые два года — в соответствии с законом Мура, который действует и сегодня. Микросхемы стали соответственно меньше, но конец этому развитию, похоже, не за горами.
«Сейчас мы достигли стадии, когда размер структур составляет всего 2-3 нанометра. Это примерно равно диаметру 10 атомов, что подводит нас к границам возможного. Меньше уже некуда», — говорит Цин-Тай Чжао из Института Петера Грюнберга (PGI-9) при Форшунгсцентре Юлих.
Уже некоторое время исследователи ищут замену кремнию, основному материалу, используемому в полупроводниковой промышленности. «Идея заключается в том, чтобы найти материал, который обладает более благоприятными электронными свойствами и может быть использован для достижения той же производительности с более крупными структурами», — объясняет профессор.
Исследования частично сосредоточены на германии, который уже использовался в начале компьютерной эры. Электроны в германии могут двигаться гораздо быстрее, чем в кремнии, по крайней мере, теоретически. Однако Цинь-Тай Чжао и его коллеги пошли дальше. Чтобы еще больше оптимизировать электронные свойства, они включили атомы олова в кристаллическую решетку германия. Этот метод был разработан несколько лет назад в Институте Петера Грюнберга (PGI-9) Форшунгсцентра Юлих.
«Система германий-олово, которую мы тестировали, позволяет преодолеть физические ограничения кремниевой технологии», — говорит Цин-Тай Чжао. В экспериментах транзистор из германия и олова демонстрирует подвижность электронов в 2,5 раза выше, чем аналогичный транзистор из чистого германия.
Еще одним преимуществом нового сплава материалов является то, что он совместим с существующим процессом CMOS для производства микросхем. Германий и олово относятся к той же основной группе в периодической таблице, что и кремний. Поэтому германиево-оловянные транзисторы могут быть интегрированы непосредственно в обычные кремниевые чипы на существующих производственных линиях.
Высокий потенциал для компьютеров будущего
Помимо классических цифровых компьютеров, квантовые компьютеры также могут извлечь пользу из германиево-оловянного транзистора. В течение некоторого времени предпринимались попытки интегрировать части управляющей электроники непосредственно в квантовый чип, который работает внутри квантового компьютера при температурах, близких к абсолютному нулю. Измерения показывают, что транзистор из германия-олова будет работать в этих условиях значительно лучше, чем транзистор из кремния.
«Задача состоит в том, чтобы найти полупроводник, переключение которого может быть очень быстрым при низком напряжении при очень низких температурах», — объясняет Цинь-Тай Чжао. Для кремния эта кривая переключения уплощается ниже 50 Кельвинов. Тогда транзисторам требуется высокое напряжение и, следовательно, высокая мощность, что в конечном итоге приводит к сбоям в работе чувствительных квантовых битов из-за нагрева». «Германий-олово лучше работает при таких температурах в измерениях до 12 Кельвинов, и есть надежды использовать этот материал при еще более низких температурах», — говорит Цин-Тай Чжао.
Кроме того, транзистор из германия-олова — это еще один шаг на пути к оптической передаче данных на кристалле. Передача информации с помощью световых сигналов уже является стандартом во многих сетях передачи данных, поскольку она значительно быстрее и энергоэффективнее, чем передача данных по электрическим проводникам. Однако в области микро- и наноэлектроники данные, как правило, все еще передаются электрическим путем.
Коллеги из рабочей группы доктора Дэна Бука в Юлихе уже разработали в прошлом германиево-оловянный лазер, который открывает возможность оптической передачи данных непосредственно на кремниевом чипе. Германий-оловянный транзистор, наряду с этими лазерами, представляет собой перспективное решение для монолитной интеграции наноэлектроники и фотоники на одном чипе.