新型锗锡晶体管作为硅的替代品

在过去的70年里，芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番——根据摩尔定律，该定律今天仍然有效。电路也相应变小了，但这种发展的终结似乎即将到来。“我们现在已经到了结构尺寸只有2到3纳米的阶段。这大约等于 10 个原子的直径，这使我们达到了可行的极限。它不会比这小多少，“Forschungszentrum Jülich的Peter Grünberg研究所(PGI-9)的Qing-Tai Zhao说。

一段时间以来，研究人员一直在寻找硅的替代品，硅是半导体行业使用的主要材料。“我们的想法是找到一种具有更有利电子特性的材料，并且可用于在更大的结构下实现相同的性能，”教授解释说。

这项研究部分集中在锗上，锗在计算机时代的早期就已经被使用了。至少在理论上，电子在锗中的移动速度比在硅中快得多。然而，赵庆泰和他的同事们现在更进一步了。为了进一步优化电子特性，他们将锡原子掺入锗晶格中。该方法是几年前在Forschungszentrum Jülich的Peter Grünberg研究所(PGI-9)开发的。

“我们一直在测试的锗锡系统可以克服硅技术的物理限制，”赵庆泰说。在实验中，锗锡晶体管表现出的电子迁移率比由纯锗制成的类似晶体管高2.5倍。

新材料合金的另一个优点是它与现有的用于芯片制造的CMOS工艺兼容。锗和锡与硅来自元素周期表中相同的主要族。因此，锗锡晶体管可以直接集成到现有生产线的传统硅芯片中。

未来计算机的巨大潜力

除了经典的数字计算机，量子计算机也可以从锗锡晶体管中受益。一段时间以来，人们一直在努力将部分控制电子设备直接集成到量子芯片上，该芯片在接近绝对零度的温度下在量子计算机内运行。测量表明，在这些条件下，由锗锡制成的晶体管的性能明显优于硅制成的晶体管。

“挑战在于找到一种半导体，其开关在非常低的温度下仍然非常快，具有低电压，”赵庆泰解释说。对于硅，该开关曲线在50开尔文以下趋于平缓。然后，晶体管需要高电压，因此需要高功率，最终导致敏感量子比特由于加热而失效。“锗锡在这些温度下表现更好，测量值低至12开尔文，并且有希望在更低的温度下使用该材料，”赵清泰说。

此外，锗锡晶体管是迈向光片上数据传输的又一步。用光信号传输信息已经成为许多数据网络的标准，因为它比通过电导体传输数据更快、更节能。然而，在微电子和纳米电子领域，数据通常仍然以电方式发送。Dan Buca博士的Jülich工作组的同事过去已经开发出一种锗锡激光器，该激光器开辟了直接在硅芯片上光学传输数据的可能性。锗锡晶体管沿着这些激光器，为纳米电子学和光子学在单个芯片上的单片集成提供了一种有前途的解决方案。