Ränil on olnud juba aastakümneid moodsa elektroonika põhiosa, kuid üha selgemalt hakkab ilmnema, et selle võimalused lähenevad füüsikalistele piiridele. Mida väiksemaks muutuvad transistorid, seda suuremaks kasvavad soojuseraldusest ja jõudlusest tulenevad piirangud. Seetõttu otsib tööstus üha aktiivsemalt alternatiive, mis võimaldaks arengut edasi kiirendada.
Vana tuttav naaseb areenile
Huvitaval kombel ei vii üks realistlikumaid suundi mitte täiesti uute materjalide juurde, vaid tagasi juba tuntud mineviku lahenduse juurde. Germanium oli kasutusel juba transistoride ajastu algusaastatel, kuid andis hiljem teed ränile. Nüüd on see taas teadlaste huviorbiidis kui materjal, mis võib elektroonikale anda uue hingamise.
Warwicki Ülikooli ja Kanada Riikliku Uurimiskeskuse teadlased on hiljuti saavutanud olulise läbimurde pooljuhtide vallas. Nad mõõtsid germaniumis, mis oli kasvatatud räni alusele, rekordiliselt kõrget aukude liikuvust. See tulemus viitab, et vana element võib saada uue põlvkonna kiipide üheks põhikomponendiks.
Rekordiline liikuvus ja sobivus räniga
Teadurite meeskond saavutas aukude liikuvuse, mis ulatub 7,15 miljardi ruutsentimeetrini ühe voldi ja sekundi kohta, kandjatiheduse juures 1,7 × 1011 cm-2. Võrdluseks: tööstuses kasutatava räni liikuvus on umbes 450 samades ühikutes. See tähendab üle 15 korra suuremat liikuvust ning uus tulemus ületab varasema rekordi enam kui 60 protsendiga.
Suure krüoosiikjate (aukude või elektronide) liikuvuse praktiline tähendus on otsene: transistorid saavad lülituda kiiremini ja eraldavad sealjuures vähem soojust. See loob võimaluse luua võimsamaid protsessoreid, mis on samal ajal energiasäästlikumad ning sõltuvad vähem keerukatest jahutussüsteemidest.
Atomitäpne struktuuri juhtimine
Läbimurde tuum peitub äärmiselt õhukeses germaniumikihis, millele on antud umbes 0,8% ulatuses survepinget. Kasutatud kasvatustehnoloogia (cs-GoS meetod) võimaldab luua erakordselt puhtaid kristalle, milles laengukandjad liiguvad peaaegu takistusteta.
Survepinge ja kvantne ruumiline piiramine vähendavad augu efektiivset massi umbes 0,035-ni elektroni puhumassist. Tulemuseks on materjal, milles laeng liigub palju kergemini ja kiiremini.
Süsteem näitas ka väga kõrget elektrostatilist stabiilsust. Värati pinge hüsterees oli kõigest 0,7 millivolti temperatuuril 270 millikelvinit ning transpordi omadused püsisid samasugused ka pärast mitmekordseid termilisi tsükleid. Tähtis on seegi, et germaniumi kristallstruktuuri sümmeetria vähendab soovimatuid spinn-orbiidi koosmõjusid, jättes alles peamiselt sellised komponendid, mida saab kontrollitult juhtida.
Rakendused kvantarvutuses ja andmekeskustes
Üks selle tehnoloogia suurimaid eeliseid on täielik ühilduvus olemasolevate CMOS-tootmisprotsessidega. Erinevalt kallistest ja raskesti integreeritavatest materjalidest saab germaniumi ränialusel toota praegustes tööstuslikes liinides ilma ulatuslike ümberkorraldusteta. See avab tee masstootmisele, kasutades suures osas juba olemasolevat infrastruktuuri.
Potentsiaalseid rakendusi on palju. Väga suur liikuvus ja hästi juhitav spinnidünaamika on olulised:
- spinn-kubitite loomiseks kvantarvutites,
- kriogeensete juhtkontrollerite jaoks, mis töötavad eriti madalatel temperatuuridel,
- energiasäästlike tehisintellekti kiipide ja andmekeskuste seadmete jaoks, kus on kriitiline nii võimsus kui ka madal energiatarve.
Sellised kiibid võiksid töötada kiiremini, tarbida vähem energiat ja vajada oluliselt vähem jahutust, mis on eriti oluline suurte andmekeskuste kasvava energiatarbe juures.
Tagasitulek, mis võib muuta tulevikku
Teadlased rõhutavad, et see tulemus seab uue lähtepunkti neljanda rühma pooljuhtide laenguülekandele. Pikas plaanis loodetakse omadusi veelgi parandada ning jõuda samale tasemele või isegi ületada teiste kõrge liikuvusega materjalide rekordid.
Kuna tehnoloogia sobib juba praegu täismõõdus räni-plaadiga tootmiseks, näib see olevat valmis ka reaalseks tööstuslikuks kasutuseks, mitte pelgalt laborikatseteks.
Germaniumi naasmine pärast ligikaudu seitsmekümneaastast pausi tuletab meelde, et tehnoloogiline areng ei tähenda alati uute ainete otsimist. Mõnikord piisab sellest, kui vaadata vana lahendust uue pilguga ja rakendada seda atomitäpse kontrolliga. Kui see suund õigustab end, võib germanium tulevikus olla mitte ainult laborites, vaid ka meie igapäevastes nutiseadmetes ja taskus kantavates kiipides.
