Zaczęliśmy od germanu, do germanu wrócimy? Nowe tranzystory to realna przyszłość elektroniki

W polskich mediach ulubionym tematem debatujących o przyszłości elektroniki jest oczywiście grafen, ale co z tego? Mimo wielu już lat prac pozostaje ciekawostką laboratoryjną, nikt nie umie przejść do produkcji na skalę przemysłową. Tymczasem prace badaczy z Purdue University pokazują że przyszłością elektroniki może być jej przeszłość. Chodzi tu o rozwiązania, które do produkcji trafić mogą w ciągu 2-3 lat i są zrozumiałe dla przeciętnego inżyniera-specjalisty z tej dziedziny, a nie wyrafinowane akademickie pomysły, o których debatują między sobą nobliści z chemii i fizyki.

San Francisco gościło w zeszłym tygodniu naukowców i inżynierów na konferencji International Electron Devices Meeting (IEDM). To właśnie tam Peide Ye z Purdue University pokazał układy CMOS, wykonane nie z krzemu, lecz z germanu – pierwiastka, który dzieli z krzemem wiele właściwości chemicznych (oba są półmetalami z bloku p).

Dlaczego zatem powrót do przeszłości? Podczas Drugiej Wojny Światowej german znalazł zastosowanie w niektórych elementach elektronicznych, m.in. diodach Schottky'ego, wykorzystywanych w systemach radarowych. Pierwszy na świecie tranzystor, zbudowany w 1947 roku w laboratoriach Bella, zbudowany został właśnie z germanu – i był w tej roli wykorzystywany przez całą następną dekadę. Krzem bowiem, choć miał lepsze właściwości elektryczne, wymagał znacznie większej czystości, nieosiągalnej wówczas na poziomie przemysłowym. Pierwszy producent krzemowych półprzewodników rozpoczął działalność dopiero w 1957 roku. Z upływem lat germanowi pozostawały niszowe zastosowania, przede wszystkim w sieciach optycznych, noktowizorach, oraz w inżynierii chemicznej, jako katalizatora polimeryzacji.

Replika pierwszego germanowego tranzystora z 1947 roku

14 nanometrów – to obecne realne granice procesu miniaturyzacji. Podczas konferencji IEDM Mark Bohr z wiodącego w tej dziedzinie Intela ocenił, że pozostała co najwyżej dekada dalszej miniaturyzacji krzemowych konstrukcji i branża z wielkim entuzjazmem wyczekuje wszelkich nowych pomysłów. Takim pomysłem, najbardziej realistycznym ze wszystkich do tej pory przedstawionych, jest wykorzystanie germanu, pozwalającego nie tylko na zmniejszanie skali procesu technologicznego do 2-3 nm, ale też kilkukrotnie zwiększenie częstotliwości pracy zbudowanych z niego obwodów.

Jak wiadomo, powszechnie stosowane w elektronice układy CMOS składają się z tranzystorów MOS (metal, tlenek, półprzewodnik) o przeciwnym typie przewodnictwa, połączonych tak, że w danym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu energia ze źródła zasilania jest pobierana tylko w momencie przełączenia, a układ wyłączony nie pobiera żadnej mocy. Z krzemowymi CMOS-ami problemów nie ma żadnych – firma, która je stworzyła (Fairchild Semiconductor) jest też pionierem krzemowej elektroniki. Z CMOS-ami budowanymi z germanu było jednak wiele problemów. O ile tranzystory przewodzące dodatnie ładunki (tzw. pFET) wykonane z tego materiału działają znakomicie, to tranzystory przewodzące ładunki ujemne (nFET) były od zawsze wąskim gardłem takich układów.

Osiągnięciem pana Peide Ye jest nowa konstrukcja germanowych tranzystorów nFET, która drastycznie zwiększa ich wydajność. Szczegóły mają zostać przedstawione w materiałach pokonferencyjnych, ale już teraz niezależni eksperci pełni są słów uznania. Krishna Saraswat, inżynier ze Stanfordu, który w 2002 roku opublikował pierwszy artykuł poświęcony tranzystorom z germanu, ocenił, że w tej dziedzinie od strony naukowej podstawy zostały już ukończone, teraz widzimy prace nad podstawami inżynieryjnymi. Z kolei Xiuling Li, inżynier z University of Illinois zauważył, że większość alternatywnych względem krzemu materiałów jest ciekawa i obiecująca – ale trudno będzie opanować ich wykorzystanie na skalę przemysłową. Tymczasem z germanem producenci czipów mają doświadczenie już dziś, wykorzystując go w krzemowych tranzystorach pFET. Budowanie z niego całych układów CMOS nie będzie trudne.