Silicis jau dešimtmečius yra šiuolaikinės elektronikos pagrindas, tačiau jo galimybės vis aiškiau artėja prie fizinių ribų. Tranzistoriams mažėjant, didėja šilumos išskyrimo ir našumo apribojimų problemos. Todėl pramonė vis dažniau ieško alternatyvų, kurios leistų tęsti spartėjimą.
Įdomu tai, kad viena realiausių krypčių veda ne į visiškai naujas medžiagas, o į gerai žinomą praeities sprendimą. Germanis buvo naudojamas pačioje tranzistorių eros pradžioje, bet vėliau užleido vietą siliciui. Dabar jis vėl grįžta į mokslininkų akiratį kaip medžiaga, galinti suteikti elektronikai naują kvėpavimą.
„University of Warwick“ ir „National Research Council of Canada“ tyrėjai neseniai pasiekė reikšmingą proveržį puslaidininkių srityje. Jie užfiksavo rekordiškai didelį skylių judrumą germanyje, išaugintame ant silicio pagrindo. Tai rodo, kad senas elementas gali tapti naujos kartos mikroschemų kertiniu akmeniu.
Rekordinis judrumas suderinamas su siliciu
Tyrėjų komanda pasiekė skylių judrumą, siekiantį 7,15 mlrd. centimetro kvadratu vienam voltui per sekundę, esant 1,7 karto dešimt vienuoliktojo laipsnio centimetro kvadratu tankiui. Palyginimui, pramonėje naudojamo silicio judrumas siekia apie 450 tų pačių vienetų. Taigi kalbame apie daugiau nei penkiolikos kartų šuolį, o naujas rezultatas dar ir daugiau nei šešiasdešimt procentų lenkia ankstesnį rekordą.
Didelis krūvio nešėjų judrumas reiškia tiesiogines praktines naudas. Tranzistoriai gali persijungti greičiau ir tuo pačiu išskirti mažiau šilumos. Dėl to atsiranda galimybė kurti našesnius procesorius, kurie kartu būtų taupesni energijai ir mažiau priklausomi nuo sudėtingo aušinimo.
Atominiu tikslumu kontroliuota struktūra
Proveržio esmė slypi itin plonoje germano sluoksnio struktūroje, kuriai suteiktas maždaug nulis kablelis aštuonių procento gniuždomasis įtempis. Naudota cs GoS technologija leidžia auginti ypač švarius kristalus, kuriuose krūvio nešėjai juda beveik be kliūčių. Šis įtempis ir kvantinio apribojimo efektas sumažina skylės efektyviąją masę iki 0,035 elektrono ramybės masės.
Medžiaga pasižymėjo ir aukšta elektrostatine stabilumo kokybe. Vartų įtampos histerezė siekė vos 0,7 milivolto esant 270 milikelvino temperatūrai, o transporto savybės išliko pakartojamos po daugkartinių terminių ciklų. Svarbu ir tai, kad germano kristalinė simetrija sumažina nepageidaujamus sukinio orbitos sąveikos efektus, palikdama tik valdomą komponentą.
Nuo kvantinių kompiuterių iki duomenų centrų
Didžiausias šios technologijos pranašumas yra pilnas suderinamumas su esamais CMOS gamybos procesais. Skirtingai nuo brangių ir sunkiai integruojamų medžiagų, germanis ant silicio gali būti gaminamas standartinėje pramoninėje infrastruktūroje. Tai atveria kelią masinei integracijai be revoliucinių gamybos linijų pertvarkymų.
Potencialios taikymo sritys plačios. Didelis judrumas ir gerai valdoma sukinio dinamika svarbūs spininiams kubitams kvantiniuose kompiuteriuose, taip pat kriogeniniams valdikliams, dirbantiems itin žemose temperatūrose. Energiškai efektyvūs dirbtinio intelekto lustai ir duomenų centrų įranga taip pat galėtų veikti sparčiau, sunaudodami mažiau energijos ir reikalaujant mažesnio aušinimo.
Sugrįžimas, keičiantis ateitį
Mokslininkai pabrėžia, kad šis rezultatas nustato naują atskaitos tašką ketvirtos grupės puslaidininkių krūvio pernašai. Ilgesnėje perspektyvoje tikimasi dar labiau pagerinti savybes ir net prilygti, o gal ir pranokti kitų aukšto judrumo medžiagų rekordus. Kadangi technologija dera su viso silicio plokštelių masto gamyba, ji jau dabar atrodo pasiruošusi realiam pramoniniam naudojimui.
Germano sugrįžimas po maždaug septynių dešimtmečių pertraukos primena, kad pažanga ne visada reiškia naujų medžiagų paiešką. Kartais pakanka iš naujo pažvelgti į seną sprendimą ir jį pritaikyti atominiu tikslumu. Jei ši kryptis pasiteisins, germanis gali atsidurti ne tik laboratorijose, bet ir mūsų kasdienėse kišenėse esančiuose įrenginiuose.
