Rekordowa mobilność w materiale kompatybilnym z krzemem
Zespół badawczy uzyskał mobilność dziur na poziomie 7,15 miliona cm²V⁻¹s⁻¹ przy gęstości 1,7 × 10¹¹ cm⁻². Wynik ten robi wrażenie, gdy porównamy go z wartością około 450 cm²V⁻¹s⁻¹ dla standardowego krzemu używanego w przemyśle. To ponad piętnastokrotna poprawa. Co więcej, nowy rezultat jest o ponad 60% lepszy od poprzedniego rekordu dla tego typu materiałów, ustanowionego zaledwie dwa lata temu. Wysoka mobilność nośników ładunku przekłada się bezpośrednio na praktyczne korzyści. Tranzystory mogą przełączać się szybciej, generując przy tym mniej ciepła. W efekcie możliwe staje się projektowanie procesorów o wyższej wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu ich apetytu na energię.
Czytaj też: Najcenniejszy pierwiastek świata znaleziony w USA. Ta substancja może zmienić przyszłość energetyki
Tradycyjne półprzewodniki o wysokiej mobilności, takie jak arsenek galu, są bardzo drogie i niemożliwe do zintegrowania z głównym nurtem produkcji krzemu. Nasz nowy kwantowy materiał german-na-krzemie z naprężeniem ściskającym łączy wiodącą na świecie mobilność ze skalowalnością przemysłową – kluczowy krok w kierunku praktycznych kwantowych i klasycznych układów scalonych o dużej skali integracji – wyjaśnia Maksym Myronov z University of Warwick
Precyzyjna inżynieria na poziomie atomowym
Sekret sukcesu tkwi w niezwykle cienkiej warstwie germanu poddanej naprężeniu ściskającemu o wartości około 0,8%. Technika znana jako cs-GoS pozwala tworzyć ultraczyste struktury krystaliczne o wyjątkowych właściwościach. Połączenie naprężenia materiału i zjawiska ograniczenia kwantowego skutkuje niezwykle niską efektywną masą dziury – zaledwie 0,035 masy spoczynkowej elektronu. Materiał wykazuje się też imponującą stabilnością elektrostatyczną.
Histereza napięcia bramki wynosi jedynie 0,7 milivolts w temperaturze 270 milikelvinów, co świadczy o wysokiej jakości opracowanej technologii. Właściwości transportowe pozostają powtarzalne nawet po wielokrotnych cyklach termicznych i zmianach napięcia. Centrosymetryczna struktura krystaliczna germanu eliminuje pewne niepożądane oddziaływania spinowo-orbitalne, zachowując jedynie oddziaływanie, które można kontrolować za pomocą napięcia bramki. Ta cecha ma kluczowe znaczenie dla manipulacji kubitami spinowymi w komputerach kwantowych.
Od komputerów kwantowych po centra danych
Największą zaletą nowej technologii jest jej pełna kompatybilność z istniejącymi procesami produkcyjnymi CMOS. W przeciwieństwie do arsenku galu, który wymaga specjalistycznych i kosztownych linii produkcyjnych, german na krzemie można wytwarzać przy użyciu standardowej infrastruktury. Potencjalne zastosowania obejmują różne obszary technologii. Wysoka mobilność i dobra kontrola spinów są kluczowe dla kubitów spinowych w komputerach kwantowych. Technologia może znaleźć zastosowanie w kontrolerach kriogenicznych dla procesorów kwantowych działających w ekstremalnie niskich temperaturach. Energooszczędne układy dla sztucznej inteligencji również mogą skorzystać na szybszych obliczeniach i lepszej efektywności energetycznej. Sprzęt centrów danych mógłby pracować z mniejszym zapotrzebowaniem na energię i chłodzenie.
Czytaj też: Światło z materiału który nie przewodzi prądu. Ten wynalazek łamie podstawowe zasady elektroniki
To ustanawia nowy punkt odniesienia dla transportu ładunku w półprzewodnikach grupy IV – materiałach będących sercem globalnego przemysłu elektronicznego. Otwiera to drzwi do szybszej, bardziej energooszczędnej elektroniki i urządzeń kwantowych, które są w pełni kompatybilne z istniejącą technologią krzemową – dodaje Sergei Studenikin z National Research Council of Canada
Badacze mają ambitne plany na przyszłość. W dłuższej perspektywie nowe układy mogą nawet przewyższyć rekord mobilności elektronów w studniach kwantowych arsenku galu. Skalowalność na poziomie całych płytek krzemowych czyni tę technologię gotową do masowej integracji. Powrót germanu po siedmiu dekadach nieobecności w głównym nurcie elektroniki pokazuje, że czasem warto przyjrzeć się sprawdzonym rozwiązaniom z przeszłości. Kluczowe okazuje się jednak odpowiednie dostosowanie ich właściwości na poziomie atomowym.