28 апр 2023 2 105

Новый германий-оловянный транзистор — шаг на пути к оптической передаче данных на кристалле

Ученые из Forschungszentrum Jülich изготовили транзистор нового типа из сплава германия и олова, который имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными переключающими элементами. Носители заряда могут двигаться в материале быстрее, чем в кремнии или германии, что позволяет работать при более низких напряжениях. Таким образом, транзистор кажется многообещающим кандидатом для будущих маломощных высокопроизводительных чипов и, возможно, также для разработки будущих квантовых компьютеров.

За последние 70 лет количество транзисторов на кристалле удваивалось примерно каждые два года — в соответствии с законом Мура, который действует и сегодня. Схемы соответственно стали меньше, но конец этому развитию, похоже, уже близок. Уже давно ученые ищут замену кремнию, основному материалу, используемому в полупроводниковой промышленности.

Мы достигли стадии, когда структуры имеют размер всего от 2 до 3 нанометров. Это примерно равно диаметру 10 атомов, что приводит нас к пределам возможного. Идея состоит в том, чтобы найти материал с более благоприятными электронными свойствами, который можно было бы использовать для достижения тех же характеристик с более крупными структурами

— Цин-Тай Чжао из Института Петера Грюнберга.

В основном внимание исследователей сосредоточено на германии, который уже использовался в первые дни компьютерной эры. Электроны в германии могут двигаться намного быстрее, чем в кремнии, по крайней мере теоретически. Однако Цин-Тай Чжао и его коллеги пошли еще дальше. Чтобы еще больше оптимизировать электронные свойства, они включили атомы олова в кристаллическую решетку германия. Метод был разработан несколько лет назад в Институте Петера Грюнберга (PGI-9) исследовательского центра Юлиха.

Система германий-олово, которую мы тестировали, позволяет преодолеть физические ограничения кремниевой технологии. В экспериментах германий-оловянный транзистор демонстрирует подвижность электронов в 2,5 раза выше, чем у сопоставимого транзистора из чистого германия

— Цин-Тай Чжао.

Еще одним преимуществом нового сплава материала является то, что он совместим с существующим процессом изготовления микросхем КМОП. Германий и олово принадлежат к той же основной группе периодической таблицы, что и кремний. Таким образом, германий-оловянные транзисторы можно интегрировать непосредственно в обычные кремниевые чипы на существующих производственных линиях.

Высокий потенциал для компьютеров будущего

Помимо классических цифровых компьютеров, квантовые компьютеры также могут извлечь выгоду из германий-оловянного транзистора. Много раз 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 и 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. Для кремния эта кривая переключения выравнивается ниже 50 Кельвинов. Затем транзисторам требуется высокое напряжение и, следовательно, большая мощность, что в конечном итоге приводит к выходу из строя чувствительных квантовых битов из-за нагрева. Германий-олово работает лучше при этих температурах при измерениях до 12 Кельвинов, и есть надежда использовать этот материал при еще более низких температурах

— Цин-Тай Чжао.

Кроме того, германий-оловянный транзистор является еще одним шагом на пути к оптической передаче данных на кристалле. Передача информации с помощью световых сигналов уже является стандартной во многих сетях передачи данных, поскольку она значительно быстрее и энергоэффективнее, чем передача данных по электрическим проводам. Однако в области микро- и наноэлектроники данные обычно по-прежнему передаются с помощью электричества.

Коллеги из юлихской рабочей группы уже разработали германий-оловянный лазер, открывающий возможность оптической передачи данных непосредственно на кремниевый чип. Наряду с этими лазерами германий-олово транзистор обеспечивает многообещающее решение для монолитной интеграции наноэлектроники и фотоники на одном чипе.