Кремниевая классика не сдается

Структура диоксида кремния. Это вещество – основа современной электроники.
Источник: green-planet-solar-energy.com

Кремниевые чипы, на поверхности которых «печатают» множество транзисторов, – основа нынешней хай-тековской цивилизации. Однако ни ученых, ни пользователей эти самые чипы не устраивают, поскольку уж очень большие на них получаются транзисторы, которые потребляют много энергии, в силу чего выделяют много тепла. Поэтому электронщики давно говорят о неминуемом скором достижении физического предела, за которым уже не поможет никакая миниатюризация. Спасение видится во внедрении оптических компьютеров, которые не будут греться, так как фотоны не взаимодействуют друг с другом.

Теоретические основы оптоэлектроники заложил около века тому назад Нильс Бор, постулировавший знаменитые квантовые скачки. Долгие семь десятилетий они были сугубо физической абстракцией, до тех пор пока не были изобретены ловушки, в которых лазер настолько охлаждает атом или ион, что скачки электрона на орбите действительно можно увидеть.

Сегодня ученые экспериментально работают с так называемыми квантовыми битами (кубитами), представляющими собой квантовые точки (quantum dots). Этими объектами можно манипулировать с помощью сверхбыстрых когерентных изменений. Напомним, что когерентным является лазерный луч, характеристики фотонов которого соответствуют друг другу. Свет обычной лампочки некогерентен, поэтому в нем очень трудно выделить голубую или красную составляющую.

Сотрудники Кавендишевской лаборатории Кембриджского университета в сотрудничестве с коллегами из Гейдельбергского, Рочестерского и Лундского университетов, а также Хефейского университета науки и технологии в Китае создали из арсенидов индия и галлия такую квантовую точку, манипулирование которой позволило с высокой степенью разрешения измерить скачки одиночного электрона в реальном времени. Это облегчалось способностью точки испускать прерывистый свет (резонансная флюоресценция). Похоже, что ученым впервые удалось обойти запрет квантовой физики, гласящий о том, что попытки измерения скорости электрона чуть ли не разрушают его.

Наш соотечественник Михаил Лукин, работающий в Гарвардском университете, отметил достижение коллег, указав, что им удалось зарегистрировать боровские квантовые скачки в твердом теле, о чем и не могли мечтать отцы-основатели квантовой физики. Не могли они представить себе, что когда-то будут созданы такие сверхчувствительные детекторы, с помощью которых станет возможно физически определить дискретные состояния электрона на орбите. Реальное существование скачков лишний раз подтверждает провидческий гений теоретиков первой трети ХХ века, обогативших физику концепцией квантовой природы света и материи-энергии.

К сожалению, до практического воплощения достижений оптоэлектроники пока еще довольно далеко. Поэтому надежды многих технологов связаны с графеном, одноатомный слой которого благодаря сверхвысокой подвижности электронов в нем представляет собой многообещающий электронный материал. Замечательно, что при этом не отрицается, так сказать, кремниевая «классика». Интерес к графену связан также и с тем, что он позволяет создать быстродействующий транзистор, работающий в радиочастотном диапазоне.

Сотрудники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые создали такие транзисторы с нанопроволокой из силиката кобальта, обернутой в фольгу из оксида алюминия, служащую изолятором. Транзистор имеет классическую компоновку на кремниевой подложке с изолирующим слоем. Два золотых электрода для улучшения проводимости и защиты от окисления покрыты тонким слоем платины, контактирующей с графеном под нанопроволокой, один из концов которой удерживается дугообразным золотым электродом. Вся эта довольно сложная в описании конструкция служит базой.

Длина графенового канала пропускания определяется диаметром нанопроволоки, не превышающим полутора сотен нанометров (нм). Микроволновые измерения, проведенные на чипе, показали, что так называемая транзитная, или тактовая, частота достигает 100–300 гигагерц, что сегодня представляет собой фантастическую величину, если учесть, что хорошие ноутбуки работают с тактовой частотой чуть более двух гигагерц. К сожалению, как отмечают ученые, паразитическая емкость снижает внешнюю частоту всего лишь до нескольких гигагерц. Тем не менее новые транзисторы уже переплюнули лучшие транзисторы с высокой электронной мобильностью.

Остается заметить, что размеры описанного транзистора не превышают 300 нм в длину и полутора сотен в поперечнике. Однако можно предположить, что в промышленном производстве они могут стать несколько больше, а может, и меньше, поскольку графен на силиконе не теряет своих «сверхпроводящих» свойств. Вполне возможно, что в связи с этим ученые на некоторое время даже смогут позабыть о высокотемпературной сверхпроводимости.