Альтернатива кремнию. Германий-оловянные перспективы.

Электронные микрофотографии германий-оловянного транзистора: структура повторяет геометрию трёхмерной нанопроволоки ‒ дизайн, который также используется в компьютерных процессорах последнего поколения. Источник.

Сплав германия и олова обладает всеми шансами сместить с пьедестала вычислений вездесущий кремний. Об этом говорят выводы учёных из Исследовательского Центра Йулих, которые, воспользовавшись теоретическими и практическими наработками предшествующих их работе исследований, сумели изготовить новый тип транзистора. И, как оказалось, он демонстрирует целый ряд преимуществ по сравнению с обычными переключающими элементами. 

Если вкратце, то носители заряда в новом материале могут двигаться быстрее, чем в кремнии или чистом германии, который был первым кандидатом на роль властелина вычислений на заре компьютерных технологий. Это позволяет производителям и потребителям снизить не только сроки проведения логических операций, повышая тем самым энергоэффективность устройств, но и само рабочее напряжение используемого оборудования.

Авторы работы прочат своему детищу многообещающие перспективы на ниве будущих маломощных, но высокопроизводительных чипов, а также считают, что разработка может оказаться весьма уместной ещё и в конструкциях квантовых компьютеров.

Попытка посмотреть на изготовление процессора с позиции использования других материалов на самом деле не является чем-то исключительным ‒ исследователи уже довольно давно ищут замену кремнию как граалю полупроводникового величия нашей цивилизации. А всё дело в небезызвестном законе Мура, выведенном ещё в 1965 году и, кстати, действующем и поныне: за последние 70 лет количество транзисторов на микросхеме действительно удваивалось примерно каждые два года. Микросхемы становились всё меньше и меньше, но это не могло продолжаться бесконечно долго и кремниевые транзисторы всё-таки подошли к своему физическому пределу.

«Мы пришли к структурам размером всего от 2 до 3 нанометров. Это соответствует примерно десяти диаметрам атома, что приближает нас к границам возможного и уже не может значительно уменьшиться, ‒ поясняет профессор Цин-Тай Чжао из Исследовательского Центра Йулих. ‒ Идея состоит в том, чтобы найти материал с лучшими электронными свойствами, с помощью которого можно добиться таких же характеристик в более крупных структурах».

Профессор Чжао, возглавляющий рабочую группу «Наноэлектронные устройства» в Институте полупроводниковой наноэлектроники Питера Грюнберга (PGI-9, в том же Исследовательском Центре), рассказывает, что германий не просто так оказался в центре внимания исследования. Собственно, к нему обратились по той же причине, по которой его использовали в первые дни компьютерной эры: электроны в нём могут двигаться гораздо быстрее, чем в кремнии. Однако в науке не бывает всё просто, и тут тоже есть своё очень веское «но»: это преимущество было чисто теоретическим. 

Исследователи рискнули, и на основе гипотетических возможностей германия решили пойти ещё дальше ‒ но уже на практике. Идеи дальнейшей оптимизации электронных свойств германия завели учёных в дебри его кристаллической решётки, которую решено было модифицировать вкраплениями атомов олова. Интересно, что наиболее подходящий метод для осуществления этого был разработан здесь же, в Институте Питера Грюнберга в Исследовательском Центре Йулих, но ‒ несколькими годами ранее.

Новый процессор был изготовлен на наноустановке Гельмгольца ‒ центральной технологической платформе для производства наноструктур и схем в Ассоциации Гельмгольца. И вот… эксперименты показали, что в сплаве с оловом германий показывает в 2,5 раза более высокую подвижность электронов, чем в чистом виде.

Мало того, «испытанная нами система германий-олово позволяет преодолеть физические ограничения кремниевой технологии», ‒ похваляется профессор Цин-Тай Чжао. 

Ещё одним преимуществом дебютанта вычислительных гонок выступила его совместимость с существующим процессом производства микросхем. Поскольку и германий, и олово принадлежат к той же основной группе периодической таблицы, что и кремний, открывается возможность интегрировать новые транзисторы на их сплаве непосредственно в обычные кремниевые чипы. Причём с использованием уже имеющихся производственных линий.

Кроме того, как мы уже упоминали, квантовым технологиям тоже могут пригодиться германий-оловянные переключатели. Попытки присоединить части управляющей электроники непосредственно к квантовому чипу, работающему вблизи температуры абсолютного нуля (−273°C), многим учёным уже набили оскомину. Так вот германий-оловянные транзисторы способны стать настоящим выходом из сложившейся ситуации: тестовые измерения показывают, что их показатели в таких условиях значительно превосходят достижения кремниевых предшественников.

«Задача состоит в том, чтобы найти полупроводник, который можно было бы коммутировать при низком напряжении даже при самых низких температурах», ‒ объясняет Цин-Тай Чжао. 

В случае с кремнием, ниже 50 Кельвинов (-223°C) эта зависимость несколько оптимизируется, однако даже это мнимое равновесие очень хрупко: с одной стороны, мы можем дать транзисторам требуемые им повышение напряжения и увеличение энергии, но возникающее при этом тепло в итоге приводит к нарушениям в чувствительных квантовых битах. 

«Германий-олово лучше работает при температуре до 12 Кельвинов, и есть надежда, что этот материал можно будет использовать и при более низких температурах», ‒ говорит профессор Чжао.

Но и это ещё не все плюшки: очень вероятно, новый транзистор пригодится также и для оптической передачи данных! Обмен информацией с помощью световых сигналов по оптоволокну уже является стандартом во многих сетях, поскольку такой тип коммуникаций значительно быстрее и менее энергозатратен, чем обычные электрические проводники. Однако в микро- и наноэлектронике биты и байты по-прежнему передаются в основном посредством электрических сигналов, что обусловлено трудностями преобразования фото-сигнала из оптоволокна в электрический для обработки процессором и наоборот. 

Так вот исследователи из рабочей группы доктора Дэна Буки в том же Йулихе в прошлом уже разработали германиево-оловянный лазер, который как раз и способен помочь в оптической передаче данных непосредственно на кремниевый чип. Поэтому германий-оловянный транзистор теперь вполне можно считать ещё одним кирпичиком в объединении оптической и электрической парадигм обмена информацией.

АРМК, по материалам Forschungszentrum Jülich.