دانشمندان دانشگاه وارویک در بریتانیا و شورای ملی پژوهش کانادا موفق شده‌اند بالاترین رسانایی الکتریکی ثبت‌شده در یک ماده سازگار با سیلیکون را به دست آورند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر تولید نسل تازه‌ای از تراشه‌های الکترونیکی و کوانتومی را دگرگون کند. نتایج این پژوهش در نشریه Materials Today منتشر شده است.
رکوردشکنی یک نیمه‌هادی کوانتومی
به گزارش برنا، این پیشرفت بر پایه لایه‌ای فوق‌نازک از ژرمانیوم تحت فشار فشاری ساخته‌شده روی ویفر سیلیکونی شکل گرفته است؛ ماده‌ای که اجازه می‌دهد بار الکتریکی با سهولتی بی‌سابقه در آن حرکت کند و عملا مرز‌های عملکرد نیمه‌هادی‌های سازگار با سیلیکون را جابه‌جا می‌کند. این ویژگی می‌تواند عمر فناوری‌های مبتنی بر سیلیکون را (در حالی که صنعت نیمه‌هادی به محدودیت‌های فیزیکی تراشه‌های مدرن نزدیک می‌شود) افزایش دهد.
چرا ژرمانیوم؟
با کوچک‌تر شدن اجزای تراشه‌ها و افزایش چگالی ترانزیستورها، سیلیکون با محدودیت‌های گرمایی و کارایی روبه‌رو شده است. ژرمانیوم که در نخستین ترانزیستور‌های دهه ۱۹۵۰ به کار می‌رفت، تحرک بار بسیار بالاتری نسبت به سیلیکون دارد، اما ادغام آن با فرآیند‌های تولید رایج در صنعت به‌سادگی ممکن نبوده است.
ماکسیم میرونوف، استادیار و رئیس گروه پژوهشی نیمه‌هادی‌های دانشگاه وارویک می‌گوید فناوری جدید موسوم به ژرمانیوم تحت فشار فشاری روی سیلیکون (cs-GoS) این مانع را برطرف کرده است. او توضیح می‌دهد: نیمه‌هادی‌های مرسوم با تحرک بالا مانند آرسنید گالیوم، بسیار گران هستند و با تولید صنعتی سیلیکون سازگار نیستند. اما csGoS هم تحرک بی‌رقیب را ارائه می‌دهد و هم قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را دارد؛ گامی کلیدی برای تحقق مدار‌های یکپارچه کلاسیک و کوانتومی.
چگونه رکورد شکست؟
پژوهشگران با وارد کردن فشار کنترل‌شده به لایه‌ای فوق‌العاده نازک از ژرمانیوم ساختاری بلوری بسیار خالص و منظم ایجاد کردند؛ ساختاری که نقص‌های محدودکننده حرکت بار را به حداقل می‌رساند. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد این ماده به تحرک حفره‌ای ۷.۱۵ میلیون سانتی‌متر مربع بر ولت‌ثانیه رسیده است؛ رقمی چندین برابر بهتر از سیلیکون صنعتی و بالاترین مقدار ثبت‌شده در یک نیمه‌هادی گروه چهار سازگار با فناوری‌های مدرن ساخت تراشه.
سرگئی اشتودنیکین، پژوهشگر ارشد شورای ملی پژوهش کانادا این نتایج را معیار تازه‌ای برای انتقال بار الکتریکی دانسته و می‌گوید این فناوری دروازه ساخت الکترونیک و دستگاه‌های کوانتومی سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر با سازگاری کامل با زیرساخت سیلیکونی موجود را می‌گشاید.
این پیشرفت در شرایطی رخ می‌دهد که دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ نیمه‌هادی در تلاشند از محدودیت‌های طراحی‌های متعارف عبور کنند. مواد با تحرک بالاتر می‌توانند مصرف انرژی را کاهش دهند، سرعت پردازش را افزایش دهند و نیاز‌های فزاینده رایانش کوانتومی، هوش مصنوعی و مراکز داده پیشرفته را پاسخ دهند.
گامی به سوی تراشه‌های کوانتومی قابل تولید
پژوهشگران وارویک و کانادا می‌گویند پلتفرم csGoS می‌تواند پایه نسل تازه‌ای از سیستم‌های اطلاعات کوانتومی، کیوبیت‌های مبتنی بر اسپین، مدار‌های کنترل دماپایین و پردازنده‌های فوق‌کم‌مصرف باشد. از آنجا که این ماده مستقیما روی سیلیکون ساخته می‌شود، ساخت دستگاه‌های جدید با زیرساخت‌های کنونی تولید تراشه ممکن خواهد بود؛ موضوعی که هزینه‌ها را کاهش داده و تجاری‌سازی را تسریع می‌کند.
این یافته‌ها همچنین جایگاه بریتانیا را در پژوهش مواد پیشرفته نیمه‌هادی تقویت می‌کند. گروه پژوهشی نیمه‌هادی‌های وارویک سال‌ها بر توسعه فناوری لایه‌های ژرمانیوم تحت فشار کار کرده و این نتایج را مهم‌ترین نقطه عطف خود می‌داند.
پژوهشگران قصد دارند با شرکای صنعتی و دانشگاهی برای بهینه‌سازی این ماده و بررسی سازوکار‌های ساخت دستگاه‌ها همکاری کنند. هرچند کاربرد‌های تجاری هنوز چند سال با واقعیت فاصله دارند اما دانشمندان می‌گویند عملکرد رکوردشکن csGoS نشان می‌دهد مواد کوانتومی سازگار با سیلیکون هنوز ظرفیت‌های استفاده‌نشده‌ای دارند.
انتهای پیام/