在过去的70年里，芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，摩尔定律至今仍然有效。电路相应地变得更小，但这种发展的终结似乎就在眼前。“我们现在已经达到了结构尺寸只有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。没有比这更小的了，”德国于利希研究中心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。Zhao教授解释道：“我们的想法是找到一种具有更有利电子性能的材料，并可用于在更大的结构中实现相同的性能。”
该研究部分集中于锗，它在计算机时代的早期就已被使用。电子在锗中的移动速度比在硅中快得多，至少在理论上是这样。为了进一步优化电子特性，研究团队将锡原子结合到锗晶格中。该方法是几年前在德国于利希研究中心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，”研究人员说。在实验中，锗-锡晶体管的电子迁移率是纯锗晶体管的2.5倍。
新材料合金的另一个优点是它与现有的芯片制造CMOS工艺兼容。锗和锡与硅来自元素周期表中的同一主族。因此，可以使用现有生产线将锗锡晶体管直接集成到传统硅芯片中。
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获益。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，量子芯片在接近绝对零的温度下在量子计算机内部运行。测量结果表明，在这些条件下，由锗锡制成的晶体管的性能明显优于由硅制成的晶体管。
研究人员解释道：“挑战在于找到一种在非常低的温度下，在低电压下仍能快速切换的半导体。对于硅，这种开关曲线在50开尔文以下变平。然后，晶体管需要高电压，从而需要高功率，这最终导致敏感量子比特由于加热而失效。锗锡在12开尔文以下的温度下表现更好，有希望在更低的温度下使用这种材料。”
此外，锗锡晶体管是向光学片上数据传输迈出的又一步。利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学领域，数据通常仍以电子方式发送。Dan Buca博士的Jülich工作组的同事过去已经开发了一种锗锡激光器，它为直接在硅片上光学传输数据开辟了可能性。锗锡晶体管与这些激光器一起，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个很有前途的解决方案。
该研究发表于《通信工程》杂志上。
DOI:10.1038/s44172-023-00059-2
