Germanium nahradí křemík v čipech dříve než grafen

Karel Javůrek  |  Technika

Vědci objevují nové možnosti pro využití grafenu v čipech. Náhradou křemíku ale bude v nejbližší době nejspíš germanium.

Ještě než přijdou optické a kvantové čipy, čeká nás několik stádií změn architektury čipů a vstup nových materiálů do jejich výroby. Několik desítek let je už standardem při výrobě čipů křemík, který má potřebné vlastnosti a jeho výroba je během dlouhých let natolik prozkoumaná a optimalizovaná. Díky tomu je možné čipy vyrábět levně a rychle. Nesmíme totiž zapomínat, že obchodní stránka je stále nejdůležitějším prvkem masového úspěchu.

Vědci i společnosti jako IBM zkoumají nadějný grafen. To je skvělý materiál, ale nehodí se na celý čip. Blíže jsme se k tomu dostali v článku Grafen: zázračná forma uhlíku překvapuje a s tím související Nečekané potíže při výrobě příliš malých čipů.

V budoucnu se proto setkáme spíše s kombinací materiálů, jak jsme psali například v článku Křemík a grafen pro tvorbu průhledných pamětí.

Germanium s lepšími vlastnostmi než křemík

Na začátku 50. let to bylo právě čisté germanium (32), díky kterému se podařilo vyrobit první tranzistory a podobné součástky pracující s elektrickou energií. Kvůli většímu výskytu křemíku v přírodě se od germania ustoupilo, byť se stále používá v některých elektronických součástkách a optických čočkách (germanium v daném materiálu zvyšuje index lomu).

Germanium je vzácnější než křemík, má ale lepší vlastnosti pro tvorbu čipů a jeho výroba je desítky let vyřešená. Zdroj CC BY 3.0: Jurii, Wikimedia Commons
Germanium je vzácnější než křemík, má ale lepší vlastnosti pro tvorbu čipů a jeho výroba je desítky let vyřešená. Zdroj CC BY 3.0: Jurii, Wikimedia Commons

Jak se vyjádřil Joshua Goldberger, mnoho lidí sice považuje grafen za materiál budoucnosti, ale křemík a germanium jsou materiály, které jsou dostupné tady a teď.

Na germanium se proto zaměřili vědci z univerzity v Ohiu. Vytvořili z něj tenkou vrstvu, která je podobná dvourozměrné vrstvě atomů uhlíku (grafen). Výsledný materiál se jmenuje „germanen“ a poprvé se ho podařilo vyrobit ve větším množství, aby vědci mohli podrobně otestovat jeho chování.

Po překonání několika problémů s vytvořením germanenu se podařilo ověřit, že je chemicky mnohem stabilnější než křemík, který působením vody i vzduchu oxiduje. To je dobrá zpráva pro výrobu.

Tenká vrstva podobná grafenu – germanen (Zdroj: ACS)
Tenká vrstva podobná grafenu – germanen (Zdroj: ACS)

Pro využití v optických součástkách nebo solárních článcích se hodí vlastnost direct band gap tohoto materiálu. Z germania bude možné vyrobit solární článek jako z křemíku, ale materiál může být třeba stokrát tenčí. To samozřejmě znamená i nižší výrobní cenu a nové možnosti použití – v displejích, na zařízeních, budovách, oknech…

Desetkrát rychlejší elektrony než v křemíku

Významných vlastností germanenu je také pohyblivost elektronů skrze materiál. Je desetkrát lepší než u křemíku. Čipy založené na tomto materiálu by tak mohly být mnohem rychlejší.

Využití rychlejšího materiálu je možná jedna z cest, kterou budou muset vědci a inženýři v nejbližších letech jít. Je to totiž jednodušší než řešit problémy s příliš malými tranzistory pod úrovní 6 nm. I v tomto směru se pochopitelně vědci snaží, ale rozhodně to na první pohled není tak snadné, jako přechod na „rychlejší materiál“, který je navíc desítky let zpracováván a prověřen ve výrobě.

O Germanium se zajímá TSMC, Intel i IBM

Na konci minulého roku si nechal Intel patentovat použití germania pro tvorbu tranzistorů. IBM již dávno vytvořila prototyp hybridního tranzistoru z křemíku a germania, který dokázal pracovat na frekvenci nad hranicí 1 THz, byť s extrémně nízkou teplotou.

TSMC a výzkum s výrobou tranzistorů FinFet z germania (Zdroj: BSN)
TSMC a výzkum s výrobou tranzistorů FinFet z germania (Zdroj: BSN)

Také TSMC se před několika dny pochlubilo výzkumem tranzistory FinFet z germania a ukázalo skvělé vlastnosti, které poskytuje. Grafen, optické čipy a další velké změny v architektuře nás tak čekají nejspíše až v příštím desetiletí (2020+), kdy nám přestane stačit využití rychlejšího germania pro tvorbu čipů.

Nejčtenější