Investigadores desarrollan un transistor de germanio-estaño como alternativa al silicio

Tecnología

Los científicos de Forschungszentrum Jülich han fabricado un nuevo tipo de transistor a partir de una aleación de germanio y estaño que tiene varias ventajas sobre los elementos de conmutación convencionales. Los portadores de carga pueden moverse más rápido en el material que en el silicio o el germanio, lo que permite voltajes más bajos en funcionamiento. Por lo tanto, el transistor parece ser un candidato prometedor para futuros chips de bajo consumo y alto rendimiento, y posiblemente también para el desarrollo de futuras computadoras cuánticas.

Durante los últimos 70 años, la cantidad de transistores en un chip se ha duplicado aproximadamente cada dos años, según la Ley de Moore, que sigue siendo válida en la actualidad. Los circuitos se han vuelto correspondientemente más pequeños, pero parece que se vislumbra el fin de este desarrollo.

“Hemos llegado a una etapa en la que las estructuras tienen un tamaño de solo 2 a 3 nanómetros. Esto es aproximadamente igual al diámetro de 10 átomos, lo que nos lleva a los límites de lo que es factible. No puede ser mucho más pequeño que esto”, dice Qing-Tai Zhao del Instituto Peter Grünberg (PGI-9) en Forschungszentrum Jülich.

Desde hace algún tiempo, los investigadores han estado buscando un sustituto del silicio, el material principal utilizado en la industria de los semiconductores. “La idea es encontrar un material que tenga propiedades electrónicas más favorables y pueda usarse para lograr el mismo rendimiento con estructuras más grandes”, explica el profesor.

La investigación se centra en parte en el germanio, que ya se usaba en los primeros días de la era informática. Los electrones pueden moverse mucho más rápido en el germanio que en el silicio, al menos en teoría. Sin embargo, Qing-Tai Zhao y sus colegas ahora han ido un paso más allá. Para optimizar aún más las propiedades electrónicas, incorporaron átomos de estaño en la red cristalina de germanio. El método fue desarrollado hace varios años en el Instituto Peter Grünberg (PGI-9) de Forschungszentrum Jülich.

“El sistema de germanio-estaño que hemos estado probando hace posible superar las limitaciones físicas de la tecnología de silicio”, dice Qing-Tai Zhao. En los experimentos, el transistor de germanio-estaño exhibe una movilidad de electrones que es 2,5 veces mayor que la de un transistor comparable hecho de germanio puro.

Otra ventaja de la nueva aleación de material es que es compatible con el proceso CMOS existente para la fabricación de chips. El germanio y el estaño provienen del mismo grupo principal en la tabla periódica que el silicio. Por lo tanto, los transistores de germanio-estaño podrían integrarse directamente en chips de silicio convencionales con líneas de producción existentes.

Alto potencial para las computadoras del futuro
Además de las computadoras digitales clásicas, las computadoras cuánticas también podrían beneficiarse del transistor de germanio-estaño. Durante algún tiempo, se han realizado esfuerzos para integrar partes de la electrónica de control directamente en el chip cuántico, que funciona dentro de una computadora cuántica a temperaturas cercanas al cero absoluto. Las mediciones sugieren que un transistor hecho de germanio-estaño funcionará significativamente mejor en estas condiciones que los hechos de silicio.

“El desafío es encontrar un semiconductor cuya conmutación aún pueda ser muy rápida con voltajes bajos a temperaturas muy bajas”, explica Qing-Tai Zhao. Para el silicio, esta curva de conmutación se aplana por debajo de 50 Kelvin. Entonces, los transistores necesitan un alto voltaje y, por lo tanto, una alta potencia, lo que finalmente conduce a fallas de los bits cuánticos sensibles debido al calentamiento. “El germanio-estaño funciona mejor a estas temperaturas en mediciones de hasta 12 Kelvin, y se espera utilizar el material a temperaturas aún más bajas”, dice Qing-Tai Zhao.

Además, el transistor de germanio-estaño es un paso más hacia la transmisión óptica de datos en el chip. La transmisión de información con señales de luz ya es estándar en muchas redes de datos porque es considerablemente más rápida y más eficiente energéticamente que la transferencia de datos a través de conductores eléctricos. Sin embargo, en el campo de la microelectrónica y la nanoelectrónica, los datos todavía se envían normalmente de forma eléctrica.

Los colegas del grupo de trabajo de Jülich del Dr. Dan Buca ya desarrollaron en el pasado un láser de germanio-estaño que abre la posibilidad de transmitir datos ópticamente directamente en un chip de silicio. El transistor de germanio-estaño, junto con estos láseres, proporciona una solución prometedora para la integración monolítica de nanoelectrónica y fotónica en un solo chip.

El artículo se publica en la revista Communications Engineering.

Fuente: Tech Xplore.

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