Немецкий материал 1950-х установил современный рекорд скорости для чипов

Учёные из Уорикского университета (Великобритания) и Национального исследовательского совета Канады сообщили о рекордной «подвижности дырок», когда-либо измеренной в материале, совместимом с современным кремниевым производством.

Художественная иллюстрация самого быстрого носителя заряда на кремниевой пластине (cs-GoS). Автор: Максим Миронов / Уорикский университет.

Кремний (Si) лежит в основе большинства современных полупроводниковых устройств, но по мере миниатюризации компоненты выделяют больше тепла и приближаются к фундаментальным пределам производительности. Германий (Ge), который использовался в самых ранних транзисторах 1950-х годов, вновь привлекает интерес. Исследователи находят способы использовать его превосходные электрические характеристики, сохраняя преимущества устоявшихся методов кремниевого производства.

Новый прорыв с использованием напряжённого германия на кремнии

В исследовании, опубликованном в журнале Materials Today, команда под руководством доктора Максима Миронова из Уорикского университета продемонстрировала крупный шаг вперёд для электроники следующего поколения. Исследователи создали нанокристаллический слой германия на кремнии, находящийся под компрессионным напряжением. Эта искусственная структура позволяет электрическому заряду двигаться быстрее, чем в любом другом известном материале, совместимом с кремнием.

«Традиционные полупроводники с высокой подвижностью, такие как арсенид галлия (GaAs), очень дороги и не могут быть интегрированы с основным кремниевым производством. Наш новый квантовый материал — напряжённый германий на кремнии (cs-GoS) — сочетает в себе рекордную подвижность с промышленной масштабируемостью. Это ключевой шаг на пути к практическим квантовым и классическим интегральным схемам большой степени интеграции», — объясняет доктор Максим Миронов, доцент и руководитель исследовательской группы по полупроводникам на физическом факультете Уорикского университета.

Как команда достигла сверхвысокой подвижности

Исследователи создали прорывной материал, вырастив тонкий слой германия на кремниевой пластине, а затем приложив точное количество компрессионного напряжения. Это позволило получить исключительно чистую и упорядоченную кристаллическую структуру, через которую электрический заряд проходит с минимальным сопротивлением.

При тестировании материал показал подвижность дырок 7,15 млн см² на вольт-секунду (для сравнения, у промышленного кремния этот показатель составляет около 450 см²). Это беспрецедентный результат, указывающий на то, что электроны и дырки могут перемещаться через него гораздо легче, чем через обычный кремний. Такое улучшение может привести к созданию электронных устройств, работающих быстрее и потребляющих меньше энергии.

Последствия для будущей электроники и квантовых технологий

«Это устанавливает новый стандарт для транспорта заряда в полупроводниках IV группы — материалах, лежащих в основе глобальной электронной промышленности. Это открывает путь к более быстрой и энергоэффективной электронике, а также квантовым устройствам, полностью совместимым с существующей кремниевой технологией», — заявляет доктор Сергей Студеникин, главный научный сотрудник Национального исследовательского совета Канады.

Полученные результаты открывают перспективный новый путь для создания сверхбыстрых и энергоэффективных полупроводниковых компонентов. Потенциальные области применения включают квантовые информационные системы, спиновые кубиты, криогенные контроллеры для квантовых процессоров, ускорители ИИ и энергоэффективные серверы, предназначенные для снижения затрат на охлаждение в дата-центрах.

Это достижение также является значительным успехом для исследовательской группы по полупроводникам Уорикского университета и подчёркивает растущее влияние Великобритании в исследованиях передовых полупроводниковых материалов.

ИИ: Возвращение германия — отличный пример того, как старые идеи получают новую жизнь благодаря современным нанотехнологиям. Если эту разработку удастся коммерциализировать, она может стать одним из ключевых факторов, продлевающих жизнь закону Мура, без полного отказа от существующей кремниевой инфраструктуры. Особенно интересны перспективы для квантовых вычислений, где низкое энергопотребление и высокая скорость критически важны.