Zaczęliśmy od germanu, do germanu wrócimy? Nowe tranzystory to realna przyszłość elektroniki
W polskich mediach ulubionym tematem debatujących o przyszłościelektroniki jest oczywiście grafen, ale co z tego? Mimo wielu już latprac pozostaje ciekawostką laboratoryjną, nikt nie umie przejść doprodukcji na skalę przemysłową. Tymczasem prace badaczy z PurdueUniversity pokazują że przyszłością elektroniki może być jejprzeszłość. Chodzi tu o rozwiązania, które do produkcji trafić mogą wciągu 2-3 lat i są zrozumiałe dla przeciętnego inżyniera-specjalistyz tej dziedziny, a nie wyrafinowane akademickie pomysły, o którychdebatują między sobą nobliści z chemii i fizyki.
San Francisco gościłow zeszłym tygodniu naukowców i inżynierów na konferencjiInternational Electron Devices Meeting (IEDM). To właśnie tam PeideYe z Purdue University pokazał układy CMOS, wykonane nie z krzemu,lecz z germanu – pierwiastka, który dzieli z krzemem wielewłaściwości chemicznych (oba są półmetalami z bloku p).
Dlaczego zatem powrót do przeszłości? Podczas Drugiej WojnyŚwiatowej german znalazł zastosowanie w niektórych elementachelektronicznych, m.in. diodach Schottky'ego, wykorzystywanych wsystemach radarowych. Pierwszy na świecie tranzystor, zbudowany w1947 roku w laboratoriach Bella, zbudowany został właśnie z germanu –i był w tej roli wykorzystywany przez całą następną dekadę. Krzembowiem, choć miał lepsze właściwości elektryczne, wymagał znaczniewiększej czystości, nieosiągalnej wówczas na poziomie przemysłowym.Pierwszy producent krzemowych półprzewodników rozpoczął działalnośćdopiero w 1957 roku. Z upływem lat germanowi pozostawały niszowezastosowania, przede wszystkim w sieciach optycznych, noktowizorach,oraz w inżynierii chemicznej, jako katalizatora polimeryzacji.
14 nanometrów – to obecne realne granice procesuminiaturyzacji. Podczas konferencji IEDM Mark Bohr z wiodącego w tejdziedzinie Intela ocenił, że pozostała co najwyżej dekada dalszejminiaturyzacji krzemowych konstrukcji i branża z wielkim entuzjazmemwyczekuje wszelkich nowych pomysłów. Takim pomysłem, najbardziejrealistycznym ze wszystkich do tej pory przedstawionych, jestwykorzystanie germanu, pozwalającego nie tylko na zmniejszanie skaliprocesu technologicznego do 2-3 nm, ale też kilkukrotniezwiększenie częstotliwości pracy zbudowanych z niego obwodów.
Jak wiadomo, powszechnie stosowane w elektronice układy CMOSskładają się z tranzystorów MOS (metal, tlenek, półprzewodnik) oprzeciwnym typie przewodnictwa, połączonych tak, że w danym stanielogicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu energia ze źródłazasilania jest pobierana tylko w momencie przełączenia, a układwyłączony nie pobiera żadnej mocy. Z krzemowymi CMOS-ami problemównie ma żadnych – firma, która je stworzyła (FairchildSemiconductor) jest też pionierem krzemowej elektroniki. Z CMOS-amibudowanymi z germanu było jednak wiele problemów. O ile tranzystoryprzewodzące dodatnie ładunki (tzw. pFET) wykonane z tego materiałudziałają znakomicie, to tranzystory przewodzące ładunki ujemne (nFET)były od zawsze wąskim gardłem takich układów.
Osiągnięciem pana Peide Ye jest nowa konstrukcja germanowychtranzystorów nFET, która drastycznie zwiększa ich wydajność.Szczegóły mają zostać przedstawione w materiałach pokonferencyjnych,ale już teraz niezależni eksperci pełni są słów uznania. KrishnaSaraswat, inżynier ze Stanfordu, który w 2002 roku opublikowałpierwszy artykuł poświęcony tranzystorom z germanu, ocenił, że w tejdziedzinie od strony naukowej podstawy zostały już ukończone, terazwidzimy prace nad podstawami inżynieryjnymi. Z kolei Xiuling Li,inżynier z University of Illinois zauważył, że większośćalternatywnych 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 niegocałych układów CMOS nie będzie trudne.