Krzem od dekad stoi w centrum rewolucji cyfrowej, ale jego możliwości nie są nieskończone. Wraz z każdą generacją chipów rośnie ich gęstość, pobór energii i temperatura pracy, a producenci coraz wyraźniej widzą ścianę, do której prowadzi dalsza miniaturyzacja w oparciu o ten sam materiał. Jednocześnie pokusa powrotu do germanu – materiału używanego w pierwszych tranzystorach – staje się coraz większa. German ma znacznie lepsze właściwości transportowe, ale przez lata przegrywał z krzemem ze względu na koszty i problemy z integracją fabryczną. Przełomowe badanie zespołu z University of Warwick pokazuje jednak, że tę barierę można przełamać.
Półprzewodnik, o którym nie śniło się fizykom
W publikacji w Materials Today dr Maksym Myronov i jego współpracownicy opisują, jak stworzyli nanometrowo cienką, kompresyjnie naprężoną warstwę germanu na krzemie. W praktyce oznacza to, że na klasycznym krzemowym waflu osadzono ultracienki film germanu, a następnie nadano mu precyzyjnie dobrany “ucisk”. Dzięki temu atomy germanu ułożyły się w niemal idealny kryształ o minimalnej liczbie defektów, który zachowuje się jak materiał kwantowy o doskonałej przejrzystości strukturalnej.
Czytaj też: Pierwsza teleportacja kwantowa z kropek kwantowych. Historyczne osiągnięcie stworzy internet przyszłości
Myronov wyjaśnia, że tradycyjne półprzewodniki o wysokiej ruchliwości, na przykład arsenek galu, są niezwykle drogie i nie nadają się do masowej integracji z krzemem. Ich nowy german na krzemie łączy to, co najlepsze: parametry klasy premium i możliwość produkcji w istniejących liniach technologicznych.
Najbardziej spektakularny element tej pracy ujawnił się podczas testów transportu ładunku. Naprężony german osiągnął ruchliwość dziur na poziomie 7,15 miliona cm2 na woltosekundę (Vs) – wartość, której żaden materiał grupy IV nie zbliżył się wcześniej nawet w badaniach eksperymentalnych. To ponad rząd wielkości więcej niż w najwyższej jakości krzemie stosowanym w przemyśle. Oznacza to, że ładunek przemieszcza się przez nowy materiał z wyjątkową łatwością, praktycznie bez rozpraszania. Dr Sergei Studenikin z kanadyjskiego NRC podkreśla, że jest to nowy punkt odniesienia dla badań nad przewodnictwem w materiałach półprzewodnikowych stanowiących fundament globalnego rynku elektroniki. Według niego ten materiał otwiera drogę do urządzeń szybszych, wydajniejszych i jednocześnie tańszych w produkcji niż obecne układy oparte na egzotycznych półprzewodnikach.
Ruchliwość rzędu milionów cm2/Vs oznacza, że sygnały elektryczne mogą przemieszczać się po układzie znacznie szybciej i przy znacznie mniejszych stratach energii. W praktyce przekłada się to na możliwość konstruowania chipów o większych częstotliwościach taktowania, lepszej stabilności cieplnej i niższym zapotrzebowaniu na energię. Z perspektywy globalnych centrów danych – które zużywają dziś tyle energii, co średnie państwo – każde zmniejszenie strat może oznaczać kolosalne oszczędności. Jednak równie istotne jest to, że materiał zachowuje swoje właściwości również w niskich temperaturach, co czyni go atrakcyjnym dla technologii kwantowych, zwłaszcza dla spinowych kubitów i sterowników pracujących w warunkach kriogenicznych.
Osiągnięcie zespołu z Warwick otwiera kilka równoległych ścieżek rozwoju. Dla klasycznej elektroniki to szansa na projektowanie procesorów pracujących przy mniejszym poborze energii i z większą stabilnością, co ma znaczenie dla urządzeń mobilnych, sprzętu do sztucznej inteligencji i infrastruktury serwerowej. Jednocześnie german na krzemie może stać się fundamentem nowej generacji komponentów kwantowych, gdzie liczy się nie tylko ruchliwość, ale też czystość krystaliczna i kompatybilność z istniejącymi procesami litograficznymi. Zastosowania obejmują zarówno elementy przetwarzania informacji kwantowej, jak i szybkie kontrolery dla kubitów, które dziś stanowią jeden z największych technologicznych wąskich gardeł.
Dla Semiconductors Research Group to nie tylko kolejny eksperyment, ale dowód na to, że można łączyć badania z myśleniem o realnej komercjalizacji. Grupa dr. Myronova od lat buduje swoją pozycję w dziedzinie inżynierii półprzewodników, ale rekordowa mobilność w materiale kompatybilnym z krzemem plasuje ich dziś w ścisłej światowej czołówce. To również ważny sygnał dla brytyjskiego sektora technologicznego, który od kilku lat inwestuje w rozwój własnej suwerenności półprzewodnikowej. Odkrycie może stać się jednym z fundamentów przyszłych europejskich inicjatyw w zakresie produkcji chipów.