Ученые из Уорикского университета и Национального исследовательского совета Канады объявили о достижении самой высокой «подвижности дырок», когда-либо зафиксированной в материале, совместимом с современной кремниевой полупроводниковой промышленностью. Это открытие открывает новые перспективы для создания более быстрых и энергоэффективных электронных устройств.
Кремний составляет основу большинства современных полупроводниковых устройств. Однако по мере уменьшения размеров компонентов и их более плотного размещения возникает проблема перегрева, а также приближение к фундаментальным пределам производительности. В этом контексте германий, который использовался еще в первых транзисторах 1950-х годов, снова привлекает внимание исследователей. Он обладает превосходными электрическими характеристиками, при этом позволяя использовать уже отработанные методы кремниевого производства.
В исследовании, опубликованном в журнале *Materials Today*, команда под руководством доктора Максима Миронова из Уорикского университета представила значительный прорыв для электроники следующего поколения. Ученые создали нанометровый эпитаксиальный слой германия на кремнии, который был подвергнут сжимающему напряжению. Эта сконструированная структура позволяет электрическому заряду перемещаться быстрее, чем в любом другом ранее известном материале, совместимом с кремнием.
Доктор Максим Миронов, доцент и руководитель исследовательской группы по полупроводникам на физическом факультете Уорикского университета, поясняет: «Традиционные полупроводники с высокой подвижностью, такие как арсенид галлия (GaAs), очень дороги и практически несовместимы с основным кремниевым производством. Наш новый квантовый материал – сжатый германий на кремнии (cs-GoS) – сочетает в себе лидирующую в мире подвижность с промышленной масштабируемостью. Это ключевой шаг на пути к созданию практичных квантовых и классических крупномасштабных интегральных схем».
Ученые добились этого прорыва, вырастив тонкий слой германия на кремниевой подложке, а затем применив точное сжимающее напряжение. В результате была получена исключительно чистая и упорядоченная кристаллическая структура, которая позволяет электрическому заряду проходить с минимальным сопротивлением.
Во время испытаний материал продемонстрировал подвижность дырок в 7,15 миллиона см² на вольт-секунду. Для сравнения, в промышленном кремнии этот показатель составляет около 450 см². Этот беспрецедентный результат указывает на то, что электроны и дырки могут перемещаться по новому материалу значительно легче, чем по обычному кремнию. Такое улучшение может привести к созданию электронных устройств, работающих быстрее и потребляющих меньше энергии.
Доктор Сергей Студеникин, главный научный сотрудник Национального исследовательского совета Канады, утверждает: «Это устанавливает новый стандарт для переноса заряда в полупроводниках IV группы, которые являются основой мировой электронной промышленности. Открытие открывает путь к более быстрой и энергоэффективной электронике, а также к квантовым устройствам, полностью совместимым с существующими кремниевыми технологиями».
Полученные результаты открывают многообещающий путь для разработки сверхбыстрых и маломощных полупроводниковых компонентов. Потенциальные области применения включают квантовые информационные системы, спиновые кубиты, криогенные контроллеры для квантовых процессоров, ускорители искусственного интеллекта и энергоэффективные серверы, способные значительно сократить потребность в охлаждении в центрах обработки данных.
Это достижение также является значимым успехом для исследовательской группы по полупроводникам Уорикского университета и подчеркивает растущее влияние Великобритании в исследованиях передовых полупроводниковых материалов.
